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WO2024260494A1 - Sodium ion battery, method for producing a sodium ion battery and use of a sodium ion battery - Google Patents

Sodium ion battery, method for producing a sodium ion battery and use of a sodium ion battery Download PDF

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WO2024260494A1
WO2024260494A1 PCT/DE2024/100489 DE2024100489W WO2024260494A1 WO 2024260494 A1 WO2024260494 A1 WO 2024260494A1 DE 2024100489 W DE2024100489 W DE 2024100489W WO 2024260494 A1 WO2024260494 A1 WO 2024260494A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
active material
cathode active
ion battery
sodium ion
sodium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/DE2024/100489
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German (de)
French (fr)
Inventor
Roland Jung
Thomas Woehrle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a sodium ion battery, a method for producing a sodium ion battery and the use of a sodium ion battery.
  • sodium ion battery is used synonymously for all terms commonly used in the prior art for galvanic elements and cells containing sodium, such as sodium battery, sodium cell, sodium ion cell, sodium polymer cell, sodium ion polymer cell and sodium ion accumulator.
  • rechargeable batteries secondary batteries
  • battery and “electrochemical cell” are also used synonymously with the term “sodium ion battery”.
  • the sodium ion battery can also be a solid-state battery, for example an inorganic, ceramic, gel-based or polymer-based solid-state battery.
  • Sodium ion batteries are a fundamentally known alternative to electrochemical storage based on lithium-containing compounds.
  • a sodium ion battery has at least two different electrodes, a positive electrode (cathode) and a negative electrode (anode). Each of these electrodes has at least one active material, which is referred to as cathode active material or anode active material, respectively, optionally together with additives such as electrode binders and electrical conductivity additives, such as conductive carbon black.
  • sodium ion batteries offer a number of advantages compared to other known systems.
  • sodium ion batteries allow the use of hard carbon instead of graphite as the anode active material.
  • Hard carbon can be produced at a lower temperature than synthetic graphite and, thanks to its mechanically more stable particles, can be calendered or compressed more than synthetic or natural graphite.
  • a cathode active material can be used that is not based on nickel and cobalt and is inexpensive.
  • sodium as an active ion i.e. an ion that is reversibly absorbed or released, is significantly cheaper than lithium and is practically unlimitedly available.
  • sodium does not alloy with aluminum
  • current collectors or carrier foils based on aluminum instead of copper in the anode in sodium ion batteries, which significantly reduces costs.
  • the materials used in sodium-ion batteries are generally more chemically stable than the components used in lithium-ion batteries and can be processed, in particular, in contact with air and moisture, which can simplify the process control in the manufacturing process, which in turn results in a reduction in costs.
  • sodium-ion batteries are assembled and manufactured in a completely uncharged state. This corresponds to a state in which the sodium ions are completely intercalated, i.e. stored, in the cathode, while the anode usually does not contain any active, i.e. reversibly cyclable, sodium ions.
  • the sodium ions leave the cathode and are deposited in the anode.
  • This first charging process involves complex processes with a large number of reactions taking place between the various components of the sodium ion battery.
  • SEI solid electrolyte interphase
  • formation loss can be in the range of about 5 to 40%, depending on the cathode and anode active material used.
  • the cathode active material must therefore be oversized, i.e. provided in larger quantities, in order to achieve a desired nominal capacity of the finished sodium ion battery even after the formation loss, which increases the costs of production and reduces the specific energy of the battery. This also increases the need for potentially toxic and/or not readily available metals and compounds that are necessary for the production of the cathode active material or that arise when the cathode active material is processed, for example in recycling processes.
  • the sodium-ion batteries are first assembled in an uncharged state and then formed.
  • the formation is an extremely cost-intensive process, as it requires both special equipment and the highest safety standards, particularly with regard to fire protection, to be met.
  • the object of the invention is to provide a sodium ion battery that has a high specific energy and service life, as well as a cost-effective method for producing such a sodium ion battery.
  • a further object of the invention is to implement a simplified production process for the sodium ion battery, in which in particular the pre-charge or forming process is eliminated.
  • the "pre-charge process" in this context refers to an initial charging of the cell in order to form an SEI and ensure a stable cell voltage.
  • the object is achieved according to the invention by a sodium ion battery with a cathode which comprises a composite cathode active material and an anode which comprises an anode active material.
  • the composite cathode active material comprises at least a first cathode active material and a second cathode active material, wherein the first cathode active material and/or the second cathode active material is a polyanionic cathode active material, and wherein the first cathode active material is completely sodiated and the second cathode active material is completely deodiated before the first discharge and/or charge process of the sodium ion battery.
  • the anode active material is pre-sodiated before the first discharge and/or charge process of the sodium ion battery.
  • a completely sodiated active material has a degree of sodification of 1 and a completely deodiated active material has a degree of sodification of 0, while a sodiated or pre-sodiated active material has a degree of sodification of greater than 0.
  • degree of sodification refers to the content of reversibly cyclable sodium, in the form of sodium ions, metallic sodium and/or sodium alloys, per formula unit of the active material in relation to the maximum content of reversibly cyclable sodium in the active material.
  • degree of sodification is a measure of what percentage of the cyclable sodium specified by the formula unit of the active material is stored or intercalated within the structure of the active material.
  • the amount of reversibly cyclable sodium depends on the voltage range in which the sodium ion battery is to be operated. Accordingly, the formula unit of the active material can contain sodium that is not reversibly cyclable in the respective intended voltage range, even if it would be reversibly cyclable if the voltage range were expanded to comparatively higher voltages. In this case, the degree of sodification refers only to the proportion of sodium that is reversibly cyclable in the selected voltage range.
  • the voltage range is limited by a maximum voltage of at most 5.0 V, preferably of at most 4.5 V, particularly preferably of at most 4.3 V.
  • NVPF sodium vanadium phosphate fluoride
  • the degree of sodiation is 1 and in the deodiated corresponding compound Na 2(PO4)Fs, the degree of sodiation is 0 when the voltage range has a maximum voltage of at most 4.3 V, in particular when the voltage range has a voltage in the range of 2.0 V to 4.3 V.
  • degree of sodification in percent by multiplying the respective value of the degree of sodification by 100%.
  • a degree of sodification of 1 corresponds to a degree of sodification of 100%
  • a degree of sodification of 0.5 to a degree of sodification of 50% corresponds to a degree of sodification of 0 to a degree of sodification of 0%.
  • the formation loss occurs almost exclusively during the first discharge and/or charge process.
  • the initial state of the cathode active material and the anode active material therefore has an influence on the prevention of formation losses.
  • the cathode has a composite cathode active material which is a combination of a completely sodiated first cathode active material and a completely deodiated second cathode active material.
  • This combination makes it possible in a particularly simple manner, by using a blend of first cathode active material and second cathode active material, to obtain a partially deodiated composite cathode material with a desired overall degree of sodification before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery.
  • cathode active materials which are complex and expensive to produce, can be dispensed with.
  • cathode active materials that cannot be produced in a partially deodiated state can also be used in this way, while still achieving a total degree of sodification that is not equal to 0 and not equal to 1.
  • total sodification degree indicates the total resulting sodification degree of all components of the active material, whereby both the respective sodification degree of the components and the respective weight and Capacity share of the components in the composite cathode active material is taken into account.
  • the capacity proportion depends on the specific capacity of the respective cathode active materials, i.e. the specific capacity of the first cathode active material and the second cathode active material, as well as on the weight proportions of the first cathode active material and the second cathode active material in the composite cathode active material.
  • the total sodification degree S is equal to 0.33.
  • the total degree of sodification of the composite cathode active material depends only on the respective weight proportion of the first cathode active material and the second cathode active material in the composite cathode active material.
  • the total sodification degree S is equal to 0.7.
  • the total degree of sodification S in this case is the sum of the products of the weight fraction and the degree of sodification of all components of the active material.
  • the ratio of the degree of sodification of the first and second cathode active material can adjust from the initial state in the composite cathode active material after filling with electrolyte and/or after the first discharge and/or charge process of the sodium ion battery.
  • the initial state of the Composite cathode active material is important for avoiding formation losses. Therefore, the information regarding the sodification levels of the first and second cathode active material in the composite cathode active material according to the invention refers to the state before the first discharge and/or charging process and in particular before filling with electrolyte.
  • the anode active material is pre-sodium-treated before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery.
  • pre-sodium-treated or “pre-sodium treatment” indicates that at least some sodium is present in the structure of the anode active material, in particular adsorbed or incorporated, before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery.
  • the sodium used for pre-sodiation can be available later as a sodium reserve in the charging and discharging cycles of the sodium ion battery and can also be used to form an SEI before or during the first discharging and/or charging process of the sodium ion battery. Pre-sodiation can therefore at least partially compensate for the formation losses that would otherwise occur. In this way, the amount of expensive and possibly toxic cathode active materials or toxic compounds that may arise during the processing of the cathode active materials can be minimized and/or the energy density of the cell can be increased.
  • the reactions for the formation of the SEI do not have to take place during the first discharge and/or charging process of the assembled sodium ion battery, but can at least partially already be carried out during the production of the anode active material and/or the anode, in particular after filling the electrolyte.
  • the sodium-ion battery is at least partially charged immediately after assembly and is therefore immediately suitable for use.
  • the first discharge and/or charging process can therefore take place directly in the intended application, for example at the end customer.
  • Individual Electrochemical cells can also first be connected to a battery module and only then discharged and/or charged for the first time.
  • the pre-charge step and the formation step i.e. the initial charging of the sodium ion battery, can be eliminated during the manufacturing process, thereby shortening production time.
  • the power consumption in production and the size and operation of the required production facilities are reduced.
  • the composite cathode active material has a total sodification degree of 0.99 or less, preferably 0.95 or less, particularly preferably 0.75 or less, further preferably 0.5 or less, before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery.
  • the composite cathode active material can further have a total degree of sodification of greater than 0, preferably of at least 0.25, particularly preferably of at least 0.5, before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery.
  • Fully deodiated cathode active materials are commercially available or can be obtained by electrochemical extraction of sodium from fully or partially sodiated cathode active materials.
  • the first cathode active material and/or the second cathode active material is a polyanionic cathode active material.
  • Polyanionic cathode active materials are known as active materials for sodium ion batteries.
  • active materials for sodium ion batteries see for example EP 3 933 997 A1 and Hasa et al.: “Challenges of today for Na- based batteries of the future: From materials to cell metrics" (Journal of Power Sources, 2021, 282, 22872, doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228872).
  • polyanionic cathode active material is fundamentally not further restricted.
  • polyanionic cathode active materials with a particle size in the range from 0.1 to 35 pm can be used, preferably from 1 to 20 pm.
  • particle sizes are ideal for blending the cathode active material with other particles, in particular with conductive carbon black. This makes it possible to obtain a homogeneous cathode coating mass which, after drying a carrier solvent and compaction, can be used as a composite cathode in the sodium ion battery.
  • the composite cathode active material consists of a first cathode active material which is a fully sodiated polyanionic cathode active material and a second cathode active material which is a fully deodiated polyanionic cathode active material.
  • the polyanionic cathode active material is selected in particular from the group of phosphates, sulfates, silicates and combinations thereof. Corresponding polyphosphates, polysulfates and polysilicates are included in this selection.
  • the polyanionic cathode active material is selected from compounds with NASICON structure, tavorite structure, olivine structure, alluaudite structure, layered compounds and combinations thereof.
  • Such compounds are able to reversibly absorb and release sodium ions, while the basic structure of the cathode active material is essentially retained. This reduces the stress on the cathode material during charge and discharge cycles and thus increases the service life of the sodium-ion battery.
  • layered compounds does not include so-called “layered oxides”, which contain oxygen anions and can be described by the general formula Na x MO2, where M denotes a transition metal.
  • the polyanionic cathode active material may contain a transition metal selected from the group consisting of iron, manganese, vanadium and combinations thereof.
  • polyanionic cathode active material it is also possible for the polyanionic cathode active material to be doped, wherein the element used for the doping partially replaces the respective transition metal present in the active material.
  • a polyanionic cathode active material containing a transition metal selected from the group consisting of iron, manganese, vanadium and combinations thereof can be doped with an element selected from the group consisting of manganese, chromium, nickel, cobalt, copper and combinations thereof.
  • the first cathode active material is selected from the group of sodium layer oxides, sodium spinels and Prussian blue analogues (PBA) and the second cathode active material is a polyanionic cathode active material.
  • the Prussian blue analogue is in particular selected from the group of compounds Na x M[M'(CN)6]i- y * z H2O, where 0 ⁇ y ⁇ 1 and z > 0, and where M and M' are each selected from the group of transition metals, preferably from the group consisting of iron, manganese, chromium, nickel, cobalt and copper. If the Prussian blue analogue is completely sodiated, x is in particular equal to 2. If the Prussian blue analogue is completely deodiated, x is in particular equal to 0.
  • M and M' are each selected from the group consisting of iron, manganese and chromium. Accordingly, the Prussian blue analogue is preferably free of nickel and cobalt.
  • M and M' selected from the group Fe and Fe (Fe/Fe), Fe and Mn (Fe/Mn) and manganese and manganese (Mn/Mn).
  • the ratio of the weight proportions of the first cathode active material and the second cathode active material in the composite cathode active material can be chosen arbitrarily.
  • the second cathode active material is preferably present in a proportion of 1 to 50 wt.%, based on the total weight of the first cathode active material and the second cathode active material, preferably in a proportion of 5 to 30 wt.%.
  • the cathode may also comprise additives such as binders and electrical conductivity additives.
  • the binder also referred to as electrode binder
  • the binder is in particular selected from the group consisting of polyethylene oxide (PEO), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), cellulose, acrylates (for example polymethyl methacrylate), polyvinylpyrrolidone (PVP), styrene-butadiene rubber (SBR), polyisobutene (PIB), polyethylene (PE), polypropylene (PP) and mixtures thereof.
  • PEO polyethylene oxide
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVdF polyvinylidene fluoride
  • PVdF-HFP polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer
  • the electrical conductivity additive (also referred to as electrical conductivity additive) can be selected from the group consisting of conductive carbon black, carbon nanotubes (CNT), graphene, graphite, expanded graphite and carbon nanofibers, porous carbons (as described, for example, in EP 2 528 879 B1 and DE 10 2013 106 114 A1), gas-phase produced carbon nanofibers (also referred to as “VGCF” for English “vapour grown carbon fibers”) and combinations thereof.
  • CNT carbon nanotubes
  • VGCF gas-phase produced carbon nanofibers
  • the anode active material can be selected from the group consisting of hard carbon, soft carbon, synthetic graphite, natural graphite, graphene, mesocarbon, doped carbon, tin, tin oxide, phosphorus, antimony, antimony oxide, Prussian blue analogues and mixtures thereof.
  • the Prussian blue analogue in the anode active material can be selected analogously to the Prussian blue analogues described for the composite cathode active material, but where 0 ⁇ x ⁇ 2.
  • Hard carbon is particularly preferred as the anode active material.
  • the hard carbon can be a hard carbon that has been manufactured industrially from renewable materials through appropriate carbonization.
  • Such hard carbon types are sold, for example, by Stora Enso under the name Lignode®.
  • the anode active material is pre-sodium-treated to such an extent that more sodium is present before the first discharge and/or charge process of the sodium ion battery than is required to form the SEI during the anode manufacture and/or the formation of the sodium ion battery.
  • the anode active material has a degree of sodification of greater than 0 and additionally a stable SEI before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery.
  • the anode active material is pre-sodium-stoichiometrically pre-sodium-containing, particularly before the first discharge and/or charging process. This means that the degree of sodium-containing of the anode active material is particularly less than 1.
  • the degree of sodification of the anode active material before the first discharge and/or charge process can be in the range from 0.01 to 1, preferably in the range from 0.05 to 0.6, particularly preferably from 0.1 to 0.5.
  • anode active material already contains sodium, which cannot participate in the cyclization because it cannot be extracted electrochemically, i.e. is not active sodium, this proportion of sodium is not considered to be a component of the pre-sodium treatment according to the invention.
  • the anode can have further components and additives, such as a carrier, a binder and/or an electrical conductivity additive. All conventional compounds and materials known in the prior art can be used as further components and additives, as well as the compounds already described for the cathode.
  • the anode active material is pre-sodium-treated before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery to such an extent that the sodium ion battery has a state of charge (SoC) in the range from 1 to 100%, preferably from 5 to 60%, particularly preferably from 10 to 50%, before the first discharge and/or charging process.
  • SoC state of charge
  • the SoC indicates the remaining available capacity of the sodium ion battery in relation to the maximum capacity of the sodium ion battery and can be easily determined, for example, via the voltage and/or current flow of the sodium ion battery.
  • the amount of sodium that must be used for pre-sodiation of the anode active material to achieve a certain SoC before the first discharge and/or charge process of the sodium ion battery depends on whether an SEI has already been formed on the anode active material before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery. If no SEI has yet been formed on the anode active material, the anode active material should be pre-sodium-treated to such an extent that the added sodium is sufficient both to form the SEI and to achieve the corresponding capacity of the sodium ion battery.
  • the amount of sodium required to form the SEI can be estimated based on the anode active materials used.
  • the total sodification degree of the composite cathode active material can be adapted to the pre-sodiation of the anode active material. In other words, the total sodification degree of the composite cathode active material can be reduced by the amount of sodium used for the pre-sodiation of the anode active material. In this way, the energy density or the open cell voltage of the sodium ion battery is further optimized.
  • the anode active material can also be pre-sodium-treated to such an extent that an excess of sodium results in the sodium-ion battery, but at the same time a SoC is present in the aforementioned ranges before the first discharge and/or charge process of the sodium-ion battery. An excess of sodium can serve to improve the service life of the sodium-ion battery.
  • the sodium ion battery according to the invention has a separator which separates the two electrodes from each other, i.e. the cathode and the anode.
  • the separator is permeable to sodium ions but non-conductive to electrons.
  • Polymers can be used as separators, in particular a polymer selected from the group consisting of polyesters, in particular polyethylene terephthalate, polyolefins, in particular polyethylene and/or polypropylene, polyacrylonitriles, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene Hexafluoropropylene, polyetherimide, polyimide, aramid, polyether, polyetherketone, synthetic spider silk (as described, for example, in DE 10 2018 205484 A1) or mixtures thereof.
  • the separator can optionally be additionally coated with ceramic material, for example with SiC>2 or AI2O3.
  • the sodium ion battery has an electrolyte that is conductive for sodium ions and that can be either a solid electrolyte or a liquid that includes an electrolyte solvent and at least one sodium conducting salt dissolved therein, for example sodium hexafluorophosphate (NaPFe).
  • sodium conducting salts can be: sodium triflate (NaCFsSCh), sodium tetraborate (NaBF4), sodium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide (NaTFSI), sodium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide (NaFSI), sodium bis(oxalato)borate (NaBOB).
  • the electrolyte solvent is preferably inert.
  • Suitable electrolyte solvents are, for example, organic solvents such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), fluoroethylene carbonate (FEC), vinylene carbonate (VC), sulfolane, 2-methyltetrahydrofuran, acetonitrile and 1,3-dioxolane.
  • organic solvents such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), fluoroethylene carbonate (FEC), vinylene carbonate (VC), sulfolane, 2-methyltetrahydrofuran, acetonitrile and 1,3-dioxolane.
  • two or more of the above liquids can be used.
  • Preferred sodium conducting salts are sodium salts which have inert anions and which are preferably non-toxic. Suitable sodium salts are in particular sodium hexafluorophosphate (NaPFe), sodium tetrafluoroborate (NaBF4) and mixtures of these salts.
  • NaPFe sodium hexafluorophosphate
  • NaBF4 sodium tetrafluoroborate
  • the separator is particularly soaked or wetted with the electrolyte.
  • a composite cathode active material is provided by mixing a first cathode active material and a second cathode active material, wherein the first cathode active material and/or the second cathode active material is a polyanionic cathode active material, and wherein the first cathode active material is completely sodiated and the second cathode active material is completely deodiated.
  • An anode active material is provided.
  • the composite cathode active material is installed in a cathode and the anode active material is installed in an anode and the cathode and the anode are assembled into a sodium ion battery.
  • the anode active material is pre-sodiated before or after the anode active material is installed in the anode.
  • the individual components of the sodium ion battery produced in the process according to the invention are made in particular from the materials previously described for the sodium ion battery according to the invention.
  • the sodium ion battery according to the invention described above is obtainable in particular by the process according to the invention.
  • the pre-sodium plating of the anode active material can be carried out in particular by the techniques known in the prior art for the production of sodium-containing active materials.
  • a mixture of the anode active material with metallic sodium can be produced.
  • the mixture of anode active material can be stored for a period of up to two weeks, preferably up to one week, particularly preferably up to five days. During this period, the sodium can be incorporated into the anode active material so that a pre-sodium-treated anode active material is obtained.
  • the pre-sodium plating of the anode active material can be carried out by mixing the anode active material with a sodium precursor and subsequently converting the sodium precursor to metallic sodium. In a further variant, the pre-sodium plating of the anode active material can be carried out by injecting sodium into the anode active material and/or the anode.
  • the pre-sodium plating of the anode active material can be carried out by vapor deposition of sodium onto the anode active material and/or the anode.
  • anode By storing the anode in an electrolyte for a predetermined period of time, for example 2 minutes to 14 days, a stable SEI can be built up on the anode.
  • the SEI can be formed on the anode during pre-sodiation.
  • the SEI can be further completed and kinetically stabilized.
  • the sodium-ion battery can have a state-of-charge (SoC) in the range of > 1% immediately after the assembly step, before a first discharge and/or charging process of the sodium-ion battery.
  • SoC state-of-charge
  • the object of the invention is further achieved by the use of a sodium ion battery as described above in a vehicle, a stationary energy storage device or a portable device.
  • the portable device can in particular be a smartphone, a power tool, a tablet or a wearable.
  • the sodium ion battery is preferably used in a vehicle, for example a hybrid or electric vehicle.
  • a mixture of 94 wt.% sodium iron phosphate (NaFePO4, NFP), 3 wt.% PVdF, and 3 wt.% conductive carbon black is suspended in NMP at 20 °C using a high-shear dissolver mixer.
  • a homogeneous cathode coating mass is obtained, which is doctored onto an aluminum carrier foil rolled to a thickness of 15 pm. After stripping off the NMP, a composite cathode film with a surface weight of 19.5 mg/cm 2 is obtained.
  • an anode coating mass with a composition of 94 wt.% hard carbon, 2 wt.% SBR, 2 wt.% CMC and 2 wt.% Super C65 is produced and applied to a 15 pm thick rolled aluminum carrier foil.
  • the anode film produced in this way has a basis weight of 5.7 mg/cm 2 .
  • the cathode with the cathode film is assembled using an anode with the anode film, a separator (thickness: 25 pm) made of polypropylene (PP) and a liquid electrolyte of a 1 M solution of NaPFe in EC/DMC (3:7 w/w) to form an electrochemical cell with 25 cm 2 active electrode area, which is packaged and sealed in high-quality aluminum composite foil (thickness: 0.12 mm).
  • a pouch cell with external dimensions of approximately 0.5 mm x 6.4 mm x 4.3 mm.
  • the capacity of the first charge is 52.5 mAh and the capacity of the first discharge is 38.5 mAh. This results in a formation efficiency of about 73.3% for the complete cell, which means a formation loss of about 26.7%.
  • Example 2 (Sodium ion battery according to the invention)
  • a mixture of 65.8 wt.% sodium iron phosphate (NaFePO4), 28.2 wt.% FePO4, 3 wt.% PVdF, and 3 wt.% conductive carbon black is suspended in NMP at 20 °C using a high shear mixer.
  • a homogeneous cathode coating mass is obtained which is applied to a rolled sheet with a thickness of 15 pm.
  • the aluminum collector carrier foil is doctored out. After removing the NMP, a cathode film with a surface weight of 19.5 mg/cm 2 is obtained.
  • an anode coating mass with a composition of 94 wt.% hard carbon, 2 wt.% SBR, 2 wt.% CMC and 2 wt.% Super C65 is produced and applied to a 15 pm rolled aluminum collector carrier foil.
  • the anode film produced in this way has a basis weight of 7.5 mg/cm 2 .
  • This anode film is pre-sodium-treated with 30.8 mAh of sodium before cell assembly. Approximately 15.7 mAh of sodium builds up a SEI protective layer and approximately 15.1 mAh of sodium remains as cyclable sodium in the hard carbon.
  • 30.8 mAh of sodium corresponds to approximately 1.15 mmol or approximately 26.5 mg of sodium.
  • the cathode with the cathode film is assembled using an anode with the anode film, a separator (25 pm) and an electrolyte of a 1 M solution of NaPFe in EC/DMC (3:7 w/w) to form an electrochemical cell with 25 cm 2 electrode area, which is packaged and sealed in aluminum composite foil (thickness: 0.12 mm). This results in a pouch cell with external dimensions of approximately 0.5 mm x 6.4 mm x 4.3 mm.
  • the electrolyte and final sealing of the cell according to the invention After dosing the electrolyte and final sealing of the cell according to the invention, it has an open voltage of approx. 2.3 to 2.9 V, which results from the potential difference between the partially deodidized cathode and the pre-sodium-ionized anode.
  • the nominal capacity of the sodium ion battery is 50.4 mAh, so that the sodium ion battery has a state of charge (SoC) of 30% immediately after production.
  • the cell is initially charged to 3.5 V (C/10) and then discharged with C/10 to 2.0 V. Since the cell already has a SoC of 30% after assembly and activation with liquid electrolyte, a charge of 35.3 mAh is observed during further formation with C/10, while the first C/10 discharge is at 50.4 mAh.
  • the sodium ion battery according to the invention accordingly has a 31% higher nominal capacity with an identical total cathode load and a 32% higher anode load compared to the reference example.
  • the anode loading could alternatively be kept constant compared to the reference example and the cathode loading reduced, resulting in a similar nominal capacity, but with significantly reduced use of cathode material. Since an anode with pre-sodium-dioxide anode active material and partially de-sodium-dioxide composite cathode active material is used to produce the sodium ion battery, the sodium ion battery according to the invention can be used immediately after the production step.

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Abstract

The invention relates to a sodium ion battery comprising a cathode which has a composite cathode active material, and an anode which has an anode active material. The composite cathode active material comprises at least a first cathode active material and a second cathode active material, wherein the first cathode active material and/or the second cathode active material is a polyanionic cathode active material, and wherein, prior to the first discharging and/or charging process of the sodium ion battery, the first cathode active material is fully sodiated and the second cathode active material is fully desodiated. The anode active material is pre-sodiated prior to the first discharging and/or charging process of the sodium ion battery. The invention also relates to a method for producing a sodium ion battery of this type and a use of a sodium ion battery of this type.

Description

Natriumionenbatterie, Verfahren zum Herstellen einer Natriumionenbatterie und Verwendung einer Natriumionenbatterie Sodium ion battery, method for producing a sodium ion battery and use of a sodium ion battery

Die Erfindung betrifft eine Natriumionenbatterie, ein Verfahren zum Herstellen einer Natriumionenbatterie sowie die Verwendung einer Natriumionenbatterie. The invention relates to a sodium ion battery, a method for producing a sodium ion battery and the use of a sodium ion battery.

Im Folgenden wird der Begriff „Natriumionenbatterie“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Natrium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Natrium-Batterie, Natrium- Zelle, Natriumionen-Zelle, Natrium-Polymer-Zelle, Natrium-Ionen-Polymer-Zelle und Natriumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Zelle“ synonym zum Begriff „Natriumionenbatterie“ genutzt. Die Natriumionenbatterie kann auch eine Festkörperbatterie sein, beispielsweise eine anorganische, keramische, gelbasierte oder polymerbasierte Festkörperbatterie. In the following, the term "sodium ion battery" is used synonymously for all terms commonly used in the prior art for galvanic elements and cells containing sodium, such as sodium battery, sodium cell, sodium ion cell, sodium polymer cell, sodium ion polymer cell and sodium ion accumulator. In particular, rechargeable batteries (secondary batteries) are included. The terms "battery" and "electrochemical cell" are also used synonymously with the term "sodium ion battery". The sodium ion battery can also be a solid-state battery, for example an inorganic, ceramic, gel-based or polymer-based solid-state battery.

Um den Bedarf an elektrochemischen Energiespeichern für stationäre und mobile Anwendungen zu decken, rücken zunehmend lithiumfreie galvanische Elemente bzw. Systeme in den Fokus. Natriumionenbatterien sind eine grundlegend im Stand der Technik bekannte Alternative zu elektrochemischen Speichern auf Basis von lithiumhaltigen Verbindungen. In order to meet the demand for electrochemical energy storage for stationary and mobile applications, lithium-free galvanic elements or systems are increasingly coming into focus. Sodium ion batteries are a fundamentally known alternative to electrochemical storage based on lithium-containing compounds.

Eine Natriumionenbatterie hat mindestens zwei verschiedene Elektroden, eine positive (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode). Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf, das entsprechend als Kathodenaktivmaterial bzw. Anodenaktivmaterial bezeichnet wird, wahlweise zusammen mit Zusätzen wie Elektrodenbindern und elektrischen Leitfähigkeitszusätzen, wie zum Beispiel Leitruß (Carbon Black). A sodium ion battery has at least two different electrodes, a positive electrode (cathode) and a negative electrode (anode). Each of these electrodes has at least one active material, which is referred to as cathode active material or anode active material, respectively, optionally together with additives such as electrode binders and electrical conductivity additives, such as conductive carbon black.

Eine allgemeine Beschreibung zur Natriumionen-Technologie findet sich in Chen et al.: „Readiness Level of Sodium-Ion Battery Technology: A Materials Review“ (Adv. Sustainable Syst. 2018, 2, 1700153, doi: 10.1002/adsu.201700153) sowie in Hasa et al.: „Challenges of today for Na-based batteries of the future: From materials to cell metrics" (Journal of Power Sources, 2021 , 282, 22872, doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228872). In Natriumionenbatterien muss sowohl das Kathodenaktivmaterial als auch das Anodenaktivmaterial in der Lage sein, reversibel Natriumionen aufzunehmen bzw. abzugeben. A general description of sodium-ion technology can be found in Chen et al.: "Readiness Level of Sodium-Ion Battery Technology: A Materials Review" (Adv. Sustainable Syst. 2018, 2, 1700153, doi: 10.1002/adsu.201700153) and in Hasa et al.: "Challenges of today for Na-based batteries of the future: From materials to cell metrics" (Journal of Power Sources, 2021 , 282, 22872, doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228872). In sodium-ion batteries, both the cathode active material and the anode active material must be able to reversibly absorb or release sodium ions.

Natriumionenbatterien bieten im Vergleich zu anderen bekannten Systemen einige Vorteile. So erlauben Natriumionenbatterien den Einsatz von Hardcarbon statt Graphit als Anodenaktivmaterial. Hardcarbon ist bei niedrigerer Temperatur herstellbar als synthetischer Graphit und kann durch seine mechanisch stabileren Partikel stärker kalandriert bzw. verdichtet werden als synthetischer oder natürlicher Graphit. Zudem kann auf ein Kathodenaktivmaterial zurückgegriffen werden, das nicht auf Nickel und Cobalt basiert und preisgünstig ist. Ferner ist Natrium als aktives Ion, das heißt als Ion, das reversibel aufgenommen bzw. abgegeben wird, signifikant günstiger als Lithium und praktisch unbegrenzt verfügbar. Da Natrium nicht mit Aluminium legiert, ist es zudem in Natriumionenbatterien möglich, Stromkollektoren bzw. Trägerfolien auf Basis von Aluminium anstelle von Kupfer in der Anode einzusetzen, wodurch die Kosten signifikant reduziert werden. Ferner sind die in Natriumionenbatterien eingesetzten Materialien im Vergleich zu den in Lithiumionenbatterien eingesetzten Komponenten im Allgemeinen chemisch stabiler und können insbesondere in Kontakt mit der Luft und mit Feuchte verarbeitet werden, wodurch die Prozessführung im Herstellungsprozess vereinfacht werden kann, woraus wiederum eine Kostenreduktion resultiert. Sodium ion batteries offer a number of advantages compared to other known systems. For example, sodium ion batteries allow the use of hard carbon instead of graphite as the anode active material. Hard carbon can be produced at a lower temperature than synthetic graphite and, thanks to its mechanically more stable particles, can be calendered or compressed more than synthetic or natural graphite. In addition, a cathode active material can be used that is not based on nickel and cobalt and is inexpensive. Furthermore, sodium as an active ion, i.e. an ion that is reversibly absorbed or released, is significantly cheaper than lithium and is practically unlimitedly available. Since sodium does not alloy with aluminum, it is also possible to use current collectors or carrier foils based on aluminum instead of copper in the anode in sodium ion batteries, which significantly reduces costs. Furthermore, the materials used in sodium-ion batteries are generally more chemically stable than the components used in lithium-ion batteries and can be processed, in particular, in contact with air and moisture, which can simplify the process control in the manufacturing process, which in turn results in a reduction in costs.

Natriumionenbatterien werden heute im Stand der Technik im völlig ungeladenen Zustand zusammengebaut und konfektioniert. Dies entspricht einem Zustand, in dem die Natriumionen vollständig in der Kathode interkaliert, also eingelagert, sind, während die Anode üblicherweise keine aktiven, das heißt reversibel zyklisierbaren, Natriumionen aufweist. In the current state of the art, sodium-ion batteries are assembled and manufactured in a completely uncharged state. This corresponds to a state in which the sodium ions are completely intercalated, i.e. stored, in the cathode, while the anode usually does not contain any active, i.e. reversibly cyclable, sodium ions.

Beim ersten Ladevorgang der Natriumionenbatterie, der auch unter dem Begriff „Formation“ bekannt ist, verlassen die Natriumionen die Kathode und lagern sich in der Anode ein. Dieser erste Ladevorgang beinhaltet komplexe Vorgänge mit einer Vielzahl von zwischen den verschiedenen Komponenten der Natriumionenbatterie ablaufenden Reaktionen. During the first charging process of the sodium ion battery, which is also known as "formation", the sodium ions leave the cathode and are deposited in the anode. This first charging process involves complex processes with a large number of reactions taking place between the various components of the sodium ion battery.

Von besonderer Bedeutung ist dabei die Ausbildung einer Grenzfläche zwischen negativem Aktivmaterial, also dem Anodenaktivmaterial, und dem Elektrolyten der Natriumionenbatterie auf der Anode. Diese Grenzfläche wird auch als „solid electrolyte interphase“ oder „SEI“ bezeichnet. Die Ausbildung der SEI, die auch als Schutzschicht zu sehen ist, wird im Wesentlichen auf Zersetzungsreaktionen des Elektrolyten mit der Oberfläche des Anodenaktivmaterials zurückgeführt und ist natriumionenleitend. Of particular importance is the formation of an interface between the negative active material, i.e. the anode active material, and the Electrolyte of the sodium ion battery on the anode. This interface is also referred to as the “solid electrolyte interphase” or “SEI”. The formation of the SEI, which can also be seen as a protective layer, is essentially attributed to decomposition reactions of the electrolyte with the surface of the anode active material and is sodium ion conductive.

Zum Aufbau der SEI wird jedoch Natrium benötigt, das später nicht mehr für die Zyklisierung im Lade- und Entladeprozess zur Verfügung steht. Die Differenz der Kapazität nach der ersten Ladung und der Kapazität nach der ersten Entladung, im Verhältnis zur Ladekapazität, wird als Formationsverlust bezeichnet und kann je nach verwendetem Kathoden- und Anodenaktivmaterial im Bereich von etwa 5 bis 40 % liegen. However, sodium is required to form the SEI, which is no longer available for cycling in the charging and discharging process. The difference between the capacity after the first charge and the capacity after the first discharge, in relation to the charging capacity, is called formation loss and can be in the range of about 5 to 40%, depending on the cathode and anode active material used.

Das Kathodenaktivmaterial muss daher überdimensioniert werden, das heißt in größerer Menge bereitgestellt werden, um auch nach dem Formationsverlust eine gewünschte Nenn-Kapazität der fertigen Natriumionenbatterie zu erzielen, wodurch sich die Kosten in der Herstellung erhöhen und die spezifische Energie der Batterie sinkt. Dadurch steigt auch der Bedarf an potenziell toxischen und/oder nicht beliebig verfügbaren Metallen und Verbindungen, die für die Herstellung des Kathodenaktivmaterials notwendig sind oder bei der Aufarbeitung des Kathodenaktivmaterials anfallen, beispielsweise in Recyclingprozessen. The cathode active material must therefore be oversized, i.e. provided in larger quantities, in order to achieve a desired nominal capacity of the finished sodium ion battery even after the formation loss, which increases the costs of production and reduces the specific energy of the battery. This also increases the need for potentially toxic and/or not readily available metals and compounds that are necessary for the production of the cathode active material or that arise when the cathode active material is processed, for example in recycling processes.

Bei der im Stand der Technik bekannten Zellfertigung werden die Natriumionenbatterien zunächst im ungeladenen Zustand montiert und danach formiert. Die Formation ist ein äußerst kostenintensiver Prozess, da hierzu sowohl ein spezielles Equipment bereitgestellt als auch höchste Sicherheitsstandards eingehalten werden müssen, insbesondere bezüglich des Brandschutzes. In the state-of-the-art cell production, the sodium-ion batteries are first assembled in an uncharged state and then formed. The formation is an extremely cost-intensive process, as it requires both special equipment and the highest safety standards, particularly with regard to fire protection, to be met.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Natriumionenbatterie zur Verfügung zu stellen, die eine hohe spezifische Energie und Lebensdauer aufweist, sowie ein kostengünstiges Verfahren zum Herstellen einer solchen Natriumionenbatterie. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Realisierung eines vereinfachten Herstellungsprozesses für die Natriumionenbatterie, bei der insbesondere der pre-Charge bzw. Formierprozess entfällt. Der „pre-Charge-Prozess“ bezeichnet in diesem Zusammenhang ein erstes Anladen der Zelle, um eine SEI zu bilden und eine stabile Zellspannung zu gewährleisten. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Natriumionenbatterie mit einer Kathode, die ein Komposit-Kathodenaktivmaterial umfasst, und einer Anode, die ein Anodenaktivmaterial umfasst. Das Komposit-Kathodenaktivmaterial umfasst mindestens ein erstes Kathodenaktivmaterial und ein zweites Kathodenaktivmaterial, wobei das erste Kathodenaktivmaterial und/oder das zweite Kathodenaktivmaterial ein polyanionisches Kathodenaktivmaterial ist, und wobei vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie das erste Kathodenaktivmaterial vollständig sodiiert und das zweite Kathodenaktivmaterial vollständig desodiiert ist. Das Anodenaktivmaterial ist vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie vorsodiiert. The object of the invention is to provide a sodium ion battery that has a high specific energy and service life, as well as a cost-effective method for producing such a sodium ion battery. A further object of the invention is to implement a simplified production process for the sodium ion battery, in which in particular the pre-charge or forming process is eliminated. The "pre-charge process" in this context refers to an initial charging of the cell in order to form an SEI and ensure a stable cell voltage. The object is achieved according to the invention by a sodium ion battery with a cathode which comprises a composite cathode active material and an anode which comprises an anode active material. The composite cathode active material comprises at least a first cathode active material and a second cathode active material, wherein the first cathode active material and/or the second cathode active material is a polyanionic cathode active material, and wherein the first cathode active material is completely sodiated and the second cathode active material is completely deodiated before the first discharge and/or charge process of the sodium ion battery. The anode active material is pre-sodiated before the first discharge and/or charge process of the sodium ion battery.

Ein vollständig sodiiertes Aktivmaterial weist erfindungsgemäß einen Sodiierungsgrad von 1 auf und ein vollständig desodiiertes Aktivmaterial einen Sodiierungsgrad von 0, während ein sodiiertes bzw. ein vorsodiiertes Aktivmaterial einen Sodiierungsgrad von größer 0 hat. According to the invention, a completely sodiated active material has a degree of sodification of 1 and a completely deodiated active material has a degree of sodification of 0, while a sodiated or pre-sodiated active material has a degree of sodification of greater than 0.

Der Begriff „Sodiierungsgrad“ bezeichnet den Gehalt an reversibel zyklisierbarem Natrium, in Form von Natriumionen, metallischem Natrium und/oder Natriumlegierungen, pro Formeleinheit des Aktivmaterials im Verhältnis zum maximalen Gehalt an reversibel zyklisierbarem Natrium des Aktivmaterials. Mit anderen Worten ist der Sodiierungsgrad ein Maß dafür, wie viel Prozent des durch die Formeleinheit des Aktivmaterials vorgegebenem zyklisierbaren Natriums innerhalb der Struktur des Aktivmaterials eingelagert beziehungsweise interkaliert ist. The term "degree of sodification" refers to the content of reversibly cyclable sodium, in the form of sodium ions, metallic sodium and/or sodium alloys, per formula unit of the active material in relation to the maximum content of reversibly cyclable sodium in the active material. In other words, the degree of sodification is a measure of what percentage of the cyclable sodium specified by the formula unit of the active material is stored or intercalated within the structure of the active material.

Es versteht sich, dass die Menge an reversibel zyklisierbarem Natrium vom Spannungsbereich abhängt, in dem die Natriumionenbatterie betrieben werden soll. Demnach kann in der Formeleinheit des Aktivmaterials Natrium enthalten sein, das im jeweils angedachten Spannungsbereich nicht reversibel zyklisierbar ist, auch wenn dieses reversibel zyklisierbar wäre, wenn der Spannungsbereich zu im Vergleich höheren Spannungen erweitert wäre. In diesem Fall bezieht sich der Sodiierungsgrad lediglich auf denjenigen Anteil an Natrium, der im gewählten Spannungsbereich reversibel zyklisierbar ist. It goes without saying that the amount of reversibly cyclable sodium depends on the voltage range in which the sodium ion battery is to be operated. Accordingly, the formula unit of the active material can contain sodium that is not reversibly cyclable in the respective intended voltage range, even if it would be reversibly cyclable if the voltage range were expanded to comparatively higher voltages. In this case, the degree of sodification refers only to the proportion of sodium that is reversibly cyclable in the selected voltage range.

Insbesondere ist der Spannungsbereich durch eine Maximalspannung von höchstens 5,0 V begrenzt, bevorzugt von höchstens 4,5 V, besonders bevorzugt von höchstens 4,3 V. Beispielsweise ist in einem stöchiometrischen Natriumvanadiumphosphatfluorid (NVPF) mit der Formeleinheit NasV2(PO4)F3 der Sodiierungsgrad gleich 1 und in der desodiierten zugehörigen Verbindung Na 2(PO4)Fs der Sodiierungsgrad gleich 0, wenn der Spannungsbereich eine Maximalspannung von höchstens 4,3 V aufweist, insbesondere wenn der Spannungsbereich eine Spannung im Bereich von 2,0 V bis 4,3 V aufweist. In particular, the voltage range is limited by a maximum voltage of at most 5.0 V, preferably of at most 4.5 V, particularly preferably of at most 4.3 V. For example, in a stoichiometric sodium vanadium phosphate fluoride (NVPF) with the formula unit NasV2(PO4)F3, the degree of sodiation is 1 and in the deodiated corresponding compound Na 2(PO4)Fs, the degree of sodiation is 0 when the voltage range has a maximum voltage of at most 4.3 V, in particular when the voltage range has a voltage in the range of 2.0 V to 4.3 V.

Es ist auch möglich, den Sodiierungsgrad in Prozent anzugeben, indem der jeweilige Wert des Sodiierungsgrads mit 100 % multipliziert wird. So entspricht beispielsweise ein Sodiierungsgrad von 1 auch einem Sodiierungsgrad von 100 %, ein Sodiierungsgrad von 0,5 einem Sodiierungsgrad von 50 % und ein Sodiierungsgrad von 0 einem Sodiierungsgrad von 0%. It is also possible to specify the degree of sodification in percent by multiplying the respective value of the degree of sodification by 100%. For example, a degree of sodification of 1 corresponds to a degree of sodification of 100%, a degree of sodification of 0.5 to a degree of sodification of 50% and a degree of sodification of 0 to a degree of sodification of 0%.

Der Formationsverlust tritt nahezu ausschließlich während des ersten Entlade- und/oder Ladevorgangs auf. Insbesondere der Ausgangszustand des Kathodenaktivmaterials und des Anodenaktivmaterials hat daher Einfluss auf die Vermeidung von Formationsverlusten. The formation loss occurs almost exclusively during the first discharge and/or charge process. In particular, the initial state of the cathode active material and the anode active material therefore has an influence on the prevention of formation losses.

Erfindungsgemäß verfügt die Kathode über ein Komposit- Kathodenaktivmaterial, das eine Kombination eines vollständig sodiierten ersten Kathodenaktivmaterials und eines vollständig desodiierten zweiten Kathodenaktivmaterials darstellt. Diese Kombination ermöglicht es auf besonders einfache Weise durch Einsatz eines Blends aus erstem Kathodenaktivmaterial und zweitem Kathodenaktivmaterial, ein vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie teilweise desodiiertes Komposit- Kathodenmaterial mit einem gewünschten Gesamtsodiierungsgrad zu erhalten. According to the invention, the cathode has a composite cathode active material which is a combination of a completely sodiated first cathode active material and a completely deodiated second cathode active material. This combination makes it possible in a particularly simple manner, by using a blend of first cathode active material and second cathode active material, to obtain a partially deodiated composite cathode material with a desired overall degree of sodification before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery.

Insbesondere kann auf den Einsatz von lediglich teilweise desodiierten Kathodenaktivmaterialien verzichtet werden, deren Herstellung aufwendig und kostspielig ist. Zudem können auf diese Weise auch Kathodenaktivmaterialien eingesetzt werden, die nicht in teilweise desodiiertem Zustand herstellbar sind, während weiterhin ein Gesamtsodiierungsgrad ungleich 0 und ungleich 1 erreicht wird. In particular, the use of only partially deodiated cathode active materials, which are complex and expensive to produce, can be dispensed with. In addition, cathode active materials that cannot be produced in a partially deodiated state can also be used in this way, while still achieving a total degree of sodification that is not equal to 0 and not equal to 1.

Der Begriff „Gesamtsodiierungsgrad“ gibt den insgesamt resultierenden Sodiierungsgrad aller Komponenten des Aktivmaterials an, wobei sowohl der jeweilige Sodiierungsgrad der Komponenten als auch der jeweilige Gewichts- und Kapazitätsanteil der Komponenten am Komposit-Kathodenaktivmaterial berücksichtigt wird. The term “total sodification degree” indicates the total resulting sodification degree of all components of the active material, whereby both the respective sodification degree of the components and the respective weight and Capacity share of the components in the composite cathode active material is taken into account.

Der Kapazitätsanteil ist abhängig von der spezifischen Kapazität der jeweiligen Kathodenaktivmaterialien, also der spezifischen Kapazität von erstem Kathodenaktivmaterial und zweitem Kathodenaktivmaterial, sowie von den Gewichtsanteilen des ersten Kathodenaktivmaterials und des zweiten Kathodenaktivmaterials im Komposit-Kathodenaktivmaterial. The capacity proportion depends on the specific capacity of the respective cathode active materials, i.e. the specific capacity of the first cathode active material and the second cathode active material, as well as on the weight proportions of the first cathode active material and the second cathode active material in the composite cathode active material.

Beispielsweise ist in einem Komposit-Kathodenaktivmaterial, das aus 50 Gew.- % erstem Kathodenaktivmaterial und 50 Gew.-% zweitem Kathodenaktivmaterial besteht, wobei das erste Kathodenaktivmaterial eine doppelt so hohe spezifische Kapazität besitzt wie das zweite Kathodenaktivmaterial, der Gesamtsodiierungsgrad S gleich 0,33. For example, in a composite cathode active material consisting of 50 wt.% first cathode active material and 50 wt.% second cathode active material, wherein the first cathode active material has a specific capacity twice as high as the second cathode active material, the total sodification degree S is equal to 0.33.

Weisen das erste Kathodenaktivmaterial und das zweite Kathodenaktivmaterial die gleiche spezifische Kapazität auf, so ist der Gesamtsodiierungsgrad des Komposit-Kathodenaktivmaterials entsprechend lediglich vom jeweiligen Gewichtsanteil von erstem Kathodenaktivmaterial und zweitem Kathodenaktivmaterial am Komposit-Kathodenaktivmaterial abhängig. If the first cathode active material and the second cathode active material have the same specific capacity, the total degree of sodification of the composite cathode active material depends only on the respective weight proportion of the first cathode active material and the second cathode active material in the composite cathode active material.

Beispielsweise ist in diesem Fall in einem Komposit-Kathodenaktivmaterial bestehend aus 70 Gew.-% erstem Kathodenaktivmaterial mit einem Sodiierungsgrad a von 1 und 30 Gew.-% zweitem Kathodenaktivmaterial mit einem Sodiierungsgrad b von 0 der Gesamtsodiierungsgrad S gleich 0,7. For example, in this case, in a composite cathode active material consisting of 70 wt.% of first cathode active material with a sodification degree a of 1 and 30 wt.% of second cathode active material with a sodification degree b of 0, the total sodification degree S is equal to 0.7.

Mit anderen Worten ist der Gesamtsodiierungsgrad S in diesem Fall die Summe der Produkte aus Gewichtsanteil und Sodiierungsgrad aller Komponenten des Aktivmaterials. In other words, the total degree of sodification S in this case is the sum of the products of the weight fraction and the degree of sodification of all components of the active material.

Da sich die Natriumionen nach dem Befüllen mit Elektrolyt und insbesondere beim ersten Entladezyklus auch in das zweite Kathodenaktivmaterial einlagern, kann sich das Verhältnis des Sodiierungsgrads des ersten und des zweiten Kathodenaktivmaterials nach dem Befüllen mit Elektrolyt und/oder nach dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie vom Ausgangszustand im Komposit-Kathodenaktivmaterial angleichen. Da der Formationsverlust jedoch nahezu ausschließlich während des ersten Entlade- und/oder Ladevorgangs auftritt, ist insbesondere der Ausgangszustand des Komposit-Kathodenaktivmaterials zur Vermeidung von Formationsverlusten von Bedeutung. Daher beziehen sich die Angaben bezüglich der Sodiierungsgrade von erstem und zweitem Kathodenaktivmaterial im erfindungsgemäßen Komposit- Kathodenaktivmaterial auf den Zustand vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang und insbesondere vor dem Befüllen mit Elektrolyt. Since the sodium ions are also incorporated into the second cathode active material after filling with electrolyte and in particular during the first discharge cycle, the ratio of the degree of sodification of the first and second cathode active material can adjust from the initial state in the composite cathode active material after filling with electrolyte and/or after the first discharge and/or charge process of the sodium ion battery. However, since the loss of formation occurs almost exclusively during the first discharge and/or charge process, the initial state of the Composite cathode active material is important for avoiding formation losses. Therefore, the information regarding the sodification levels of the first and second cathode active material in the composite cathode active material according to the invention refers to the state before the first discharge and/or charging process and in particular before filling with electrolyte.

Das Anodenaktivmaterial ist erfindungsgemäß vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie vorsodiiert. Der Begriff „vorsodiiert“ bzw. „Vorsodiierung“ gibt an, dass im Anodenaktivmaterial bereits vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie wenigstens teilweise Natrium in der Struktur des Anodenaktivmaterials vorhanden ist, insbesondere adsorbiert oder eingelagert ist. According to the invention, the anode active material is pre-sodium-treated before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery. The term “pre-sodium-treated” or “pre-sodium treatment” indicates that at least some sodium is present in the structure of the anode active material, in particular adsorbed or incorporated, before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery.

Das für die Vorsodiierung verwendete Natrium kann sowohl später als Natriumreserve in den Lade- und Entladezyklen der Natriumionenbatterie zur Verfügung stehen als auch zur Ausbildung einer SEI noch vor oder während des ersten Entlade- und/oder Ladevorgangs der Natriumionenbatterie genutzt werden. Somit kann die Vorsodiierung die ansonsten auftretenden Formationsverluste wenigstens teilweise ausgleichen. Auf diese Weise kann die Menge der kostspieligen und möglicherweise toxischen Kathodenaktivmaterialien bzw. von in der Aufarbeitung der Kathodenaktivmaterialien möglicherweise anfallenden toxischen Verbindungen minimiert und/oder die Energiedichte der Zelle erhöht werden. The sodium used for pre-sodiation can be available later as a sodium reserve in the charging and discharging cycles of the sodium ion battery and can also be used to form an SEI before or during the first discharging and/or charging process of the sodium ion battery. Pre-sodiation can therefore at least partially compensate for the formation losses that would otherwise occur. In this way, the amount of expensive and possibly toxic cathode active materials or toxic compounds that may arise during the processing of the cathode active materials can be minimized and/or the energy density of the cell can be increased.

Des Weiteren müssen die Reaktionen zur Bildung der SEI nicht erst beim ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der zusammengebauten Natriumionenbatterie stattfinden, sondern können wenigstens teilweise bereits bei der Herstellung des Anodenaktivmaterials und/oder der Anode durchgeführt werden, insbesondere nach Einfüllen des Elektrolyten. Furthermore, the reactions for the formation of the SEI do not have to take place during the first discharge and/or charging process of the assembled sodium ion battery, but can at least partially already be carried out during the production of the anode active material and/or the anode, in particular after filling the electrolyte.

Durch die Kombination eines wenigstens teilweise desodiierten Komposit- Kathodenaktivmaterials und eines, wahlweise unterstöchiometrisch, vorsodiierten Anodenaktivmaterials ist die Natriumionenbatterie direkt nach dem Zusammenbau bereits wenigstens teilweise geladen und somit sofort für den Einsatz geeignet. By combining an at least partially deodiated composite cathode active material and an optionally substoichiometrically pre-sodium-ionized anode active material, the sodium-ion battery is at least partially charged immediately after assembly and is therefore immediately suitable for use.

Der erste Entlade- und/oder Ladevorgang kann entsprechend direkt in der angedachten Anwendung erfolgen, beispielsweise beim Endkunden. Einzelne elektrochemische Zellen können auch zunächst zu einem Batteriemodul verbunden und erst dann zum ersten Mal entladen und/oder geladen werden. The first discharge and/or charging process can therefore take place directly in the intended application, for example at the end customer. Individual Electrochemical cells can also first be connected to a battery module and only then discharged and/or charged for the first time.

Auf diese Weise kann der Pre-Charge-Schritt und der Formierungsschritt, also das erstmalige Laden der Natriumionenbatterie, während des Herstellungsprozesses entfallen, wodurch die Produktionszeit verkürzt wird. Zudem wird der Stromverbrauch in der Herstellung sowie der Umfang und Betrieb der benötigten Produktionsanlagen reduziert. In this way, the pre-charge step and the formation step, i.e. the initial charging of the sodium ion battery, can be eliminated during the manufacturing process, thereby shortening production time. In addition, the power consumption in production and the size and operation of the required production facilities are reduced.

Insbesondere weist das Komposit-Kathodenaktivmaterial vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie einen Gesamtsodiierungsgrad von 0,99 oder weniger auf, bevorzugt von 0,95 oder weniger, besonders bevorzugt von 0,75 oder weniger, weiter bevorzugt von 0,5 oder weniger. In particular, the composite cathode active material has a total sodification degree of 0.99 or less, preferably 0.95 or less, particularly preferably 0.75 or less, further preferably 0.5 or less, before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery.

Das Komposit-Kathodenaktivmaterial kann ferner vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie einen Gesamtsodiierungsgrad von größer 0 aufweisen, bevorzugt von mindestens 0,25, besonders bevorzugt von mindestens 0,5. The composite cathode active material can further have a total degree of sodification of greater than 0, preferably of at least 0.25, particularly preferably of at least 0.5, before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery.

Vollständig desodiierte Kathodenaktivmaterialien sind kommerziell erhältlich oder können durch elektrochemische Extraktion von Natrium aus vollständig oder teilweise sodiierten Kathodenaktivmaterialien gewonnen werden. Fully deodiated cathode active materials are commercially available or can be obtained by electrochemical extraction of sodium from fully or partially sodiated cathode active materials.

Auch eine chemische Extraktion von Natrium aus vollständig oder teilweise sodiierten Kathodenaktivmaterialien ist möglich, bei der das Natrium mittels Säuren herausgelöst wird, beispielsweise mittels Schwefelsäure (H2SO4). Chemical extraction of sodium from fully or partially sodiated cathode active materials is also possible, in which the sodium is dissolved out using acids, for example sulfuric acid (H2SO4).

Eine weitere Möglichkeit ist es, mittels Festkörpersynthese oder Fällungsreaktionen desodiierte Kathodenaktivmaterialien zu gewinnen. Another possibility is to obtain deodiated cathode active materials by means of solid-state synthesis or precipitation reactions.

Erfindungsgemäß ist das erste Kathodenaktivmaterial und/oder das zweite Kathodenaktivmaterial ein polyanionisches Kathodenaktivmaterial. According to the invention, the first cathode active material and/or the second cathode active material is a polyanionic cathode active material.

Polyanionische Kathodenaktivmaterialien sind als Aktivmaterialien für Natriumionenbatterien bekannt. Zum allgemeinen Stand der Technik zum Einsatz von polyanionischen Kathodenaktivmaterialien in Natriumionenbatterien wird beispielhaft auf die EP 3 933 997 A1 und Hasa et al.: „Challenges of today for Na- based batteries of the future: From materials to cell metrics" (Journal of Power Sources, 2021 , 282, 22872, doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228872) verwiesen. Polyanionic cathode active materials are known as active materials for sodium ion batteries. For the general state of the art on the use of polyanionic cathode active materials in sodium ion batteries, see for example EP 3 933 997 A1 and Hasa et al.: “Challenges of today for Na- based batteries of the future: From materials to cell metrics" (Journal of Power Sources, 2021, 282, 22872, doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228872).

Die Art des polyanionischen Kathodenaktivmaterials ist grundlegend nicht weiter eingeschränkt. The type of polyanionic cathode active material is fundamentally not further restricted.

Polyanionische Kathodenaktivmaterialien sind mit gängigen Elektrodenbindern, Elektrolytzusammensetzungen sowie Leitfähigkeitsadditiven, beispielsweise Leitruß, sowie mit den gängigen Herstellungsprozessen von Kathodenaktivmaterialien vollständig kompatibel, beispielsweise in Misch-, Beschichtungs-, Kalandrierungs-, Stanz-, Schneide-, Wickel-, Stapel-, Vakuum-, Trocknungs- und Laminationsprozessen sowie der Elektrolytbefüllung. Polyanionic cathode active materials are fully compatible with common electrode binders, electrolyte compositions and conductivity additives, such as conductive carbon black, as well as with common manufacturing processes of cathode active materials, such as mixing, coating, calendering, punching, cutting, winding, stacking, vacuuming, drying and lamination processes as well as electrolyte filling.

Insbesondere können polyanionische Kathodenaktivmaterialien mit einer Partikelgröße im Bereich von 0,1 bis zu 35 pm eingesetzt werden, bevorzugt von 1 bis zu 20 pm. Derartige Partikelgrößen eignen sich optimal, um das Kathodenaktivmaterial mit weiteren Partikeln, insbesondere mit Leitruß, zu blenden. Dadurch kann eine homogene Kathodenbeschichtungsmasse erhalten werden, die nach Abtrocknung eines Trägerlösungsmittels und Verdichtung als Komposit-Kathode in der Natriumionenbatterie zum Einsatz kommen kann. In particular, polyanionic cathode active materials with a particle size in the range from 0.1 to 35 pm can be used, preferably from 1 to 20 pm. Such particle sizes are ideal for blending the cathode active material with other particles, in particular with conductive carbon black. This makes it possible to obtain a homogeneous cathode coating mass which, after drying a carrier solvent and compaction, can be used as a composite cathode in the sodium ion battery.

Besonders bevorzugt besteht das Komposit-Kathodenaktivmaterial aus einem ersten Kathodenaktivmaterial, das ein vollständig sodiiertes polyanionisches Kathodenaktivmaterial ist, und einem zweiten Kathodenaktivmaterial, das ein vollständig desodiiertes polyanionisches Kathodenaktivmaterial ist. Particularly preferably, the composite cathode active material consists of a first cathode active material which is a fully sodiated polyanionic cathode active material and a second cathode active material which is a fully deodiated polyanionic cathode active material.

Das polyanionische Kathodenaktivmaterial ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe der Phosphate, Sulfate, Silikate und Kombinationen davon. Entsprechende Polyphosphate, Polysulfate und Polysilikate sind in dieser Auswahl inbegriffen. The polyanionic cathode active material is selected in particular from the group of phosphates, sulfates, silicates and combinations thereof. Corresponding polyphosphates, polysulfates and polysilicates are included in this selection.

Bevorzugt ist das polyanionische Kathodenaktivmaterial ausgewählt aus Verbindungen mit NASICON-Struktur, Tavoritstruktur, Olivinstruktur, Alluauditstruktur, Schichtverbindungen und Kombinationen davon. Derartige Verbindungen sind in der Lage, reversibel Natriumionen aufzunehmen und abzugeben, wobei die grundlegende Struktur des Kathodenaktivmaterials im Wesentlichen erhalten bleibt. Dies reduziert den Stress auf das Kathodenmaterial während Lade- und Entladezyklen und erhöht somit die Lebensdauer der Natriumionenbatterie. Preferably, the polyanionic cathode active material is selected from compounds with NASICON structure, tavorite structure, olivine structure, alluaudite structure, layered compounds and combinations thereof. Such compounds are able to reversibly absorb and release sodium ions, while the basic structure of the cathode active material is essentially retained. This reduces the stress on the cathode material during charge and discharge cycles and thus increases the service life of the sodium-ion battery.

Der Begriff „Schichtverbindungen“ schließt in diesem Zusammenhang sogenannte „layered Oxides“ nicht mit ein, die Sauerstoffanionen aufweisen und mit der allgemeinen Formel NaxMO2 beschrieben werden können, wobei M ein Übergangsmetall bezeichnet. In this context, the term “layered compounds” does not include so-called “layered oxides”, which contain oxygen anions and can be described by the general formula Na x MO2, where M denotes a transition metal.

Das polyanionische Kathodenaktivmaterial kann ein Übergangsmetall enthalten, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Mangan, Vanadium und Kombinationen davon. The polyanionic cathode active material may contain a transition metal selected from the group consisting of iron, manganese, vanadium and combinations thereof.

Beispielsweise ist das polyanionische Kathodenaktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe der Verbindungen Nai-xFePO4 (NFP), Naz-xFe3(PO4)3, Naz-xFePzO?, Nai-xMnPO4, Naz-xMnPzO?, Naz-xMnPzO?, Naz-xMnPO4F, Na4- x .(Fe,Mn)3(PO4)2(P2O7), Na3-xV2(PO4)3 (NVP), Na3^V2(PO4)2F3 (NVPF), Na3^V2. y(VO)y(PO4)2F3-y, Naz-xFez(SO4)3, Na2+2z-X“Fe2-z(SO4)3, Na2-xMn2(SO4)3, Naz- xFez(SiO4)3, Naz-xMnz(SiO4)3, Naz-xFeSiO4, Naz-xMnSiO4 und Kombinationen davon, wobei 0 < y < 3 und 0 < z < 2 ist, und wobei im Fall, dass es sich um ein vollständig desodiiertes Kathodenaktivmaterial handelt, x gleich 1 , x‘ gleich 2, x“ gleich 3 und x“‘ gleich 4 ist, und im Fall, dass es sich um ein vollständig sodiiertes Kathodenaktivmaterial handelt, x, x‘, x“ und x“‘ gleich 0 ist. For example, the polyanionic cathode active material is selected from the group of compounds Nai- x FePO4 (NFP), Naz- x Fe3(PO4)3, Naz-xFePzO?, Nai- x MnPO4, Naz-xMnPzO?, Naz-xMnPzO?, Naz- x MnPO4F, Na4- x .(Fe,Mn)3(PO 4 )2(P2O 7 ), Na3- x V 2 (PO 4 )3 (NVP), Na 3 ^V2(PO 4 )2F 3 (NVPF), Na 3 ^V 2 . y(VO) y (PO4)2F3-y, Naz- x Fez(SO4)3, Na2+2z- X “Fe2-z(SO4)3, Na2- x Mn2(SO4)3, Naz- x Fez(SiO4)3, Naz- x Mnz(SiO4)3, Naz- x FeSiO4, Naz- x MnSiO4 and combinations thereof, where 0 < y < 3 and 0 < z < 2, and where in the case of a fully deodiated cathode active material, x is 1, x' is 2, x“ is 3 and x“' is 4, and in the case of a fully sodiated cathode active material, x, x', x“ and x“' are 0.

Es ist auch möglich, dass das polyanionische Kathodenaktivmaterial dotiert ist, wobei das für die Dotierung genutzte Element das jeweilige im Aktivmaterial vorhandene Übergangsmetall teilweise ersetzt. Beispielsweise kann ein polyanionisches Kathodenaktivmaterial, in dem ein Übergangsmetall enthalten ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Mangan, Vanadium und Kombinationen davon, mit einem Element dotiert sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Mangan, Chrom, Nickel, Cobalt, Kupfer und Kombinationen davon. It is also possible for the polyanionic cathode active material to be doped, wherein the element used for the doping partially replaces the respective transition metal present in the active material. For example, a polyanionic cathode active material containing a transition metal selected from the group consisting of iron, manganese, vanadium and combinations thereof can be doped with an element selected from the group consisting of manganese, chromium, nickel, cobalt, copper and combinations thereof.

Unter einer Dotierung wird ein Gehalt des jeweiligen Elements in einem Anteil von höchstens 5 Gewichtsprozent verstanden, bezogen auf das Gesamtgewicht des polyanionischen Kathodenaktivmaterials, insbesondere in einem Anteil von höchstens 1 Gewichtsprozent. In einer Variante ist das erste Kathodenaktivmaterial ein polyanionisches Kathodenaktivmaterial und das zweite Kathodenaktivmaterial ist ausgewählt aus der Gruppe der Natriumschichtoxide, Natriumspinelle und Preußisch-Blau- Analoga (PBA). Doping is understood to mean a content of the respective element in a proportion of not more than 5 percent by weight, based on the total weight of the polyanionic cathode active material, in particular in a proportion of not more than 1 percent by weight. In one variant, the first cathode active material is a polyanionic cathode active material and the second cathode active material is selected from the group of sodium layer oxides, sodium spinels and Prussian blue analogues (PBA).

In einer weiteren Variante ist das erste Kathodenaktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe der Natriumschichtoxide, Natriumspinelle und Preußisch-Blau- Analoga (PBA) und das zweite Kathodenaktivmaterial ist ein polyanionisches Kathodenaktivmaterial. In a further variant, the first cathode active material is selected from the group of sodium layer oxides, sodium spinels and Prussian blue analogues (PBA) and the second cathode active material is a polyanionic cathode active material.

Das Preußisch-Blau-Analoga ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe der Verbindungen NaxM[M‘(CN)6]i-y * z H2O, wobei 0 < y < 1 und z > 0 ist, und wobei M und M‘ jeweils ausgewählt sind aus der Gruppe der Übergangsmetalle, bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Mangan, Chrom, Nickel, Cobalt und Kupfer. Ist das Preußisch-Blau-Analoga vollständig sodiiert ist x insbesondere gleich 2. Ist das Preußisch-Blau-Analoga vollständig desodiiert ist x insbesondere gleich 0. The Prussian blue analogue is in particular selected from the group of compounds Na x M[M'(CN)6]i- y * z H2O, where 0 < y < 1 and z > 0, and where M and M' are each selected from the group of transition metals, preferably from the group consisting of iron, manganese, chromium, nickel, cobalt and copper. If the Prussian blue analogue is completely sodiated, x is in particular equal to 2. If the Prussian blue analogue is completely deodiated, x is in particular equal to 0.

Bevorzugt sind M und M‘ jeweils ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Mangan und Chrom. Entsprechend ist das Preußisch-Blau-Analoga bevorzugt frei von Nickel und Cobalt. Preferably, M and M' are each selected from the group consisting of iron, manganese and chromium. Accordingly, the Prussian blue analogue is preferably free of nickel and cobalt.

Besonders bevorzugt ist die Kombination von M und M‘ (M/M‘) ausgewählt aus der Gruppe Fe und Fe (Fe/Fe), Fe und Mn (Fe/Mn) sowie Mangan und Mangan (Mn/Mn). Particularly preferred is the combination of M and M' (M/M') selected from the group Fe and Fe (Fe/Fe), Fe and Mn (Fe/Mn) and manganese and manganese (Mn/Mn).

Grundsätzlich kann das Verhältnis der Gewichtsanteile von erstem Kathodenaktivmaterial und zweiten Kathodenaktivmaterial am Komposit- Kathodenaktivmaterial beliebig gewählt werden. In principle, the ratio of the weight proportions of the first cathode active material and the second cathode active material in the composite cathode active material can be chosen arbitrarily.

Bevorzugt liegt das zweite Kathodenaktivmaterial in einem Anteil von 1 bis 50 Gew.-% vor, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Kathodenaktivmaterials und des zweiten Kathodenaktivmaterials, bevorzugt in einem Anteil von 5 bis 30 Gew.-%. The second cathode active material is preferably present in a proportion of 1 to 50 wt.%, based on the total weight of the first cathode active material and the second cathode active material, preferably in a proportion of 5 to 30 wt.%.

Neben dem Kathodenaktivmaterial kann die Kathode ferner Zusätze wie Bindemittel und elektrische Leitfähigkeitszusätze umfassen. Das Bindemittel (auch als Elektrodenbinder bezeichnet) ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenoxid (PEO), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylidenfluorid- Hexafluorpropylen-Copolymer (PVdF-HFP), Cellulose, Acrylaten (beispielsweise Polymethylmethacrylat), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyisobuten (PIB), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Mischungen davon. In addition to the cathode active material, the cathode may also comprise additives such as binders and electrical conductivity additives. The binder (also referred to as electrode binder) is in particular selected from the group consisting of polyethylene oxide (PEO), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), cellulose, acrylates (for example polymethyl methacrylate), polyvinylpyrrolidone (PVP), styrene-butadiene rubber (SBR), polyisobutene (PIB), polyethylene (PE), polypropylene (PP) and mixtures thereof.

Der elektrische Leitfähigkeitszusatz (auch als elektrisches Leitadditiv bezeichnet) kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Leitruß (Carbon Black), Kohlenstoffnanoröhren (CNT), Graphen, Graphit, expandierter Graphit und Kohlenstoff nanofasern, porösen Kohlenstoffen (wie beispielsweise in der EP 2 528 879 B1 und der DE 10 2013 106 114 A1 beschrieben), gasphasenhergestellten Kohlenstoffnanofasern (auch als „VGCF“ für Englisch „vapour grown carbon fibres“ bezeichnet) sowie Kombinationen davon. The electrical conductivity additive (also referred to as electrical conductivity additive) can be selected from the group consisting of conductive carbon black, carbon nanotubes (CNT), graphene, graphite, expanded graphite and carbon nanofibers, porous carbons (as described, for example, in EP 2 528 879 B1 and DE 10 2013 106 114 A1), gas-phase produced carbon nanofibers (also referred to as “VGCF” for English “vapour grown carbon fibers”) and combinations thereof.

Das Anodenaktivmaterial kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Hardcarbon, Softcarbon, synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Zinn, Zinnoxid, Phosphor, Antimon, Antimonoxid, Preußisch-Blau-Analoga und Mischungen davon. The anode active material can be selected from the group consisting of hard carbon, soft carbon, synthetic graphite, natural graphite, graphene, mesocarbon, doped carbon, tin, tin oxide, phosphorus, antimony, antimony oxide, Prussian blue analogues and mixtures thereof.

Das Preußisch-Blau-Analoga im Anodenaktivmaterial kann analog zu den für das Komposit-Kathodenaktivmaterial beschriebenen Preußisch-Blau-Analoga ausgewählt sein, wobei jedoch 0 < x < 2 ist. The Prussian blue analogue in the anode active material can be selected analogously to the Prussian blue analogues described for the composite cathode active material, but where 0 < x < 2.

Besonders bevorzugt ist das Anodenaktivmaterial Hardcarbon. Hard carbon is particularly preferred as the anode active material.

Insbesondere kann das Hardcarbon ein Hardcarbon sein, dass aus nachwachsenden Stoffen durch entsprechende Carbonisierung industriell hergestellt worden ist. Derartige Hardcarbon-Typen werden beispielsweise von der Fa. Stora Enso unter der Bezeichnung Lignode® vertrieben. In particular, the hard carbon can be a hard carbon that has been manufactured industrially from renewable materials through appropriate carbonization. Such hard carbon types are sold, for example, by Stora Enso under the name Lignode®.

Das Anodenaktivmaterial ist insbesondere so weit vorsodiiert, dass vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie mehr Natrium vorhanden ist als zur Ausbildung der SEI während der Anodenherstellung und/oder der Formation der Natriumionenbatterie benötigt wird. Bevorzugt weist das Anodenaktivmaterial vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie einen Sodiierungsgrad von größer 0 und zusätzlich eine stabile SEI auf. In particular, the anode active material is pre-sodium-treated to such an extent that more sodium is present before the first discharge and/or charge process of the sodium ion battery than is required to form the SEI during the anode manufacture and/or the formation of the sodium ion battery. Preferably, the anode active material has a degree of sodification of greater than 0 and additionally a stable SEI before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery.

Das Anodenaktivmaterial ist insbesondere vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang unterstöchiometrisch vorsodiiert. Das heißt, der Sodiierungsgrad des Anodenaktivmaterials ist insbesondere kleiner 1. The anode active material is pre-sodium-stoichiometrically pre-sodium-containing, particularly before the first discharge and/or charging process. This means that the degree of sodium-containing of the anode active material is particularly less than 1.

Insbesondere kann der Sodiierungsgrad des Anodenaktivmaterials vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang im Bereich von 0,01 bis 1 liegen, bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 0,6, besonders bevorzugt von 0,1 bis 0,5. In particular, the degree of sodification of the anode active material before the first discharge and/or charge process can be in the range from 0.01 to 1, preferably in the range from 0.05 to 0.6, particularly preferably from 0.1 to 0.5.

Enthält das Anodenaktivmaterial bereits Natrium, welches nicht an der Zyklisierung teilnehmen kann, weil es elektrochemisch nicht extrahiert werden kann, also kein aktives Natrium ist, so wird dieser Anteil an Natrium erfindungsgemäß nicht als Bestandteil der Vorsodiierung angesehen. If the anode active material already contains sodium, which cannot participate in the cyclization because it cannot be extracted electrochemically, i.e. is not active sodium, this proportion of sodium is not considered to be a component of the pre-sodium treatment according to the invention.

Zusätzlich zum Anodenaktivmaterial kann die Anode weitere Komponenten und Zusätze aufweisen, wie beispielsweise einen Träger, ein Bindemittel und/oder einen elektrischen Leitfähigkeitszusatz. Als weitere Komponenten und Zusätze können alle üblichen im Stand der Technik bekannten Verbindungen und Materialien eingesetzt werden sowie die zuvor bereits für die Kathode beschriebenen Verbindungen. In addition to the anode active material, the anode can have further components and additives, such as a carrier, a binder and/or an electrical conductivity additive. All conventional compounds and materials known in the prior art can be used as further components and additives, as well as the compounds already described for the cathode.

Bevorzugt ist das Anodenaktivmaterial vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie soweit vorsodiiert, dass die Natriumionenbatterie vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang einen State- of-Charge (SoC) im Bereich von 1 bis 100 % hat, bevorzugt von 5 bis 60 %, besonders bevorzugt von 10 bis 50 %. Preferably, the anode active material is pre-sodium-treated before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery to such an extent that the sodium ion battery has a state of charge (SoC) in the range from 1 to 100%, preferably from 5 to 60%, particularly preferably from 10 to 50%, before the first discharge and/or charging process.

Der SoC gibt die noch verfügbare Kapazität der Natriumionenbatterie im Verhältnis zur maximalen Kapazität der Natriumionenbatterie an und kann auf einfache Weise beispielsweise über die Spannung und/oder den Stromfluss der Natriumionenbatterie bestimmt werden. The SoC indicates the remaining available capacity of the sodium ion battery in relation to the maximum capacity of the sodium ion battery and can be easily determined, for example, via the voltage and/or current flow of the sodium ion battery.

Die Menge an Natrium, die für die Vorsodiierung des Anodenaktivmaterials eingesetzt werden muss, um einen bestimmten SoC vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie zu erreichen, ist abhängig davon, ob bereits eine SEI auf dem Anodenaktivmaterial vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie ausgebildet worden ist. Ist noch keine SEI auf dem Anodenaktivmaterial ausgebildet, so sollte das Anodenaktivmaterial so stark vorsodiiert sein, dass das zugesetzte Natrium sowohl für die Ausbildung der SEI als auch zum Erreichen der entsprechenden Kapazität der Natriumionenbatterie ausreicht. Die für die Ausbildung der SEI benötigte Menge an Natrium kann anhand der verwendeten Anodenaktivmaterialien abgeschätzt werden. The amount of sodium that must be used for pre-sodiation of the anode active material to achieve a certain SoC before the first discharge and/or charge process of the sodium ion battery depends on whether an SEI has already been formed on the anode active material before the first discharge and/or charging process of the sodium ion battery. If no SEI has yet been formed on the anode active material, the anode active material should be pre-sodium-treated to such an extent that the added sodium is sufficient both to form the SEI and to achieve the corresponding capacity of the sodium ion battery. The amount of sodium required to form the SEI can be estimated based on the anode active materials used.

Der SoC der Natriumionenbatterie vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang ist nicht nur über die Vorsodiierung des Anodenaktivmaterials einstellbar, sondern auch über den Gesamtsodiierungsgrad des Komposit- Kathodenaktivmaterials. The SoC of the sodium-ion battery before the first discharge and/or charge process can be adjusted not only by the pre-sodiation of the anode active material, but also by the total sodification degree of the composite cathode active material.

Der Gesamtsodiierungsgrad des Komposit-Kathodenaktivmaterials kann an die Vorsodiierung des Anodenaktivmaterials angepasst sein. Mit anderen Worten kann der Gesamtsodiierungsgrad des Komposit-Kathodenaktivmaterials um die Menge Natrium gesenkt werden, die für die Vorsodiierung des Anodenaktivmaterials genutzt wird. In dieser Weise wird die Energiedichte bzw. die offene Zellspannung der Natriumionenbatterie weiter optimiert. The total sodification degree of the composite cathode active material can be adapted to the pre-sodiation of the anode active material. In other words, the total sodification degree of the composite cathode active material can be reduced by the amount of sodium used for the pre-sodiation of the anode active material. In this way, the energy density or the open cell voltage of the sodium ion battery is further optimized.

Auch kann das Anodenaktivmaterial soweit vorsodiiert sein, dass ein Natriumüberschuss in der Natriumionenbatterie resultiert, gleichzeitig jedoch ein SoC vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie in den zuvor genannten Bereichen vorhanden ist. Ein Natriumüberschuss kann dazu dienen, die Lebensdauer der Natriumionenbatterie zu verbessern. The anode active material can also be pre-sodium-treated to such an extent that an excess of sodium results in the sodium-ion battery, but at the same time a SoC is present in the aforementioned ranges before the first discharge and/or charge process of the sodium-ion battery. An excess of sodium can serve to improve the service life of the sodium-ion battery.

Zwischen der Kathode und der Anode weist die erfindungsgemäße Natriumionenbatterie einen Separator auf, der die beiden Elektroden voneinander trennt, das heißt die Kathode und die Anode. Between the cathode and the anode, the sodium ion battery according to the invention has a separator which separates the two electrodes from each other, i.e. the cathode and the anode.

Der Separator ist für Natriumionen durchlässig, aber für Elektronen ein Nichtleiter. The separator is permeable to sodium ions but non-conductive to electrons.

Als Separator können Polymere eingesetzt werden, insbesondere ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, Polyacrylnitrilen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinyliden- Hexafluoropropylen, Polyetherimid, Polyimid, Aramid, Polyether, Polyetherketon, synthetische Spinnenseide (wie beispielsweise in der DE 10 2018 205484 A1 beschrieben) oder Mischungen davon. Der Separator kann optional zusätzlich mit keramischem Material beschichtet sein, beispielsweise mit SiC>2 oder AI2O3. Polymers can be used as separators, in particular a polymer selected from the group consisting of polyesters, in particular polyethylene terephthalate, polyolefins, in particular polyethylene and/or polypropylene, polyacrylonitriles, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene Hexafluoropropylene, polyetherimide, polyimide, aramid, polyether, polyetherketone, synthetic spider silk (as described, for example, in DE 10 2018 205484 A1) or mixtures thereof. The separator can optionally be additionally coated with ceramic material, for example with SiC>2 or AI2O3.

Zudem weist die Natriumionenbatterie einen Elektrolyten auf, der leitend für Natriumionen ist und der sowohl ein Feststoffelektrolyt als auch eine Flüssigkeit sein kann, die ein Elektrolytlösungsmittel und zumindest ein darin gelöstes Natrium-Leitsalz, beispielsweise Natrium-Hexafluorophosphat (NaPFe), umfasst. Weitere mögliche Natrium-Leitsalze können sein: Natrium-Triflat (NaCFsSCh), Natriumtetraborat (NaBF4), Natriumbis(trifluormethylsulfonyl)amid (NaTFSI), Natriumbis(trifluormethylsulfonyl)amid (NaFSI), Natriumbis(oxalato)borat, (NaBOB). In addition, the sodium ion battery has an electrolyte that is conductive for sodium ions and that can be either a solid electrolyte or a liquid that includes an electrolyte solvent and at least one sodium conducting salt dissolved therein, for example sodium hexafluorophosphate (NaPFe). Other possible sodium conducting salts can be: sodium triflate (NaCFsSCh), sodium tetraborate (NaBF4), sodium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide (NaTFSI), sodium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide (NaFSI), sodium bis(oxalato)borate (NaBOB).

Das Elektrolytlösungsmittel ist vorzugsweise inert. Geeignete Elektrolytlösungsmittel sind beispielsweise organische Lösungsmittel wie Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC), Sulfolan, 2- Methyltetrahydrofuran, Acetonitril und 1 ,3-Dioxolan. The electrolyte solvent is preferably inert. Suitable electrolyte solvents are, for example, organic solvents such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), fluoroethylene carbonate (FEC), vinylene carbonate (VC), sulfolane, 2-methyltetrahydrofuran, acetonitrile and 1,3-dioxolane.

In einer Variante können zwei oder mehrere der oben genannten Flüssigkeiten verwendet werden. In a variant, two or more of the above liquids can be used.

Bevorzugte Natrium-Leitsalze sind Natriumsalze, welche inerte Anionen aufweisen und welche vorzugsweise nicht toxisch sind. Geeignete Natriumsalze sind insbesondere Natriumhexafluorophosphat (NaPFe), Natriumtetrafluoroborat (NaBF4) und Mischungen dieser Salze. Preferred sodium conducting salts are sodium salts which have inert anions and which are preferably non-toxic. Suitable sodium salts are in particular sodium hexafluorophosphate (NaPFe), sodium tetrafluoroborate (NaBF4) and mixtures of these salts.

Sofern der Elektrolyt flüssig ist, ist der Separator insbesondere mit dem Elektrolyten getränkt bzw. benetzt. If the electrolyte is liquid, the separator is particularly soaked or wetted with the electrolyte.

Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Natriumionenbatterie, umfassend folgende Schritte: Ein Komposit-Kathodenaktivmaterial wird durch Vermischen eines ersten Kathodenaktivmaterials und eines zweiten Kathodenaktivmaterials bereitgestellt, wobei das erste Kathodenaktivmaterial und/oder das zweite Kathodenaktivmaterial ein polyanionisches Kathodenaktivmaterial ist, und wobei das erste Kathodenaktivmaterial vollständig sodiiert und das zweite Kathodenaktivmaterial vollständig desodiiert ist. Ein Anodenaktivmaterial wird bereitgestellt. Das Komposit-Kathodenaktivmaterial wird in einer Kathode und das Anodenaktivmaterial wird in einer Anode verbaut und die Kathode und die Anode zu einer Natriumionenbatterie konfektioniert. Das Anodenaktivmaterial wird vor oder nach dem Verbauen des Anodenaktivmaterials in der Anode vorsodiiert. The object of the invention is further achieved by a method for producing a sodium ion battery, comprising the following steps: A composite cathode active material is provided by mixing a first cathode active material and a second cathode active material, wherein the first cathode active material and/or the second cathode active material is a polyanionic cathode active material, and wherein the first cathode active material is completely sodiated and the second cathode active material is completely deodiated. An anode active material is provided. The composite cathode active material is installed in a cathode and the anode active material is installed in an anode and the cathode and the anode are assembled into a sodium ion battery. The anode active material is pre-sodiated before or after the anode active material is installed in the anode.

Die einzelnen Bestandteile der im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Natriumionenbatterie sind insbesondere aus den zuvor für die erfindungsgemäße Natriumionenbatterie beschriebenen Materialien gefertigt. The individual components of the sodium ion battery produced in the process according to the invention are made in particular from the materials previously described for the sodium ion battery according to the invention.

Entsprechend ist die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Natriumionenbatterie insbesondere durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich. Accordingly, the sodium ion battery according to the invention described above is obtainable in particular by the process according to the invention.

Das Komposit-Kathodenaktivmaterial wird erfindungsgemäß durch Vermischen des ersten und zweiten Kathodenaktivmaterials erhalten. Anders ausgedrückt ist das Komposit-Kathodenaktivmaterial insbesondere ein Blend aus erstem Kathodenaktivmaterial und zweitem Kathodenaktivmaterial. Somit kann besonders einfach ein Komposit-Kathodenaktivmaterial mit einem gewünschten Gesamtsodiierungsgrad erhalten werden. According to the invention, the composite cathode active material is obtained by mixing the first and second cathode active materials. In other words, the composite cathode active material is in particular a blend of first cathode active material and second cathode active material. A composite cathode active material with a desired overall degree of sodification can thus be obtained particularly easily.

Das Vorsodiieren des Anodenaktivmaterials kann insbesondere durch die im Stand der Technik bekannten Techniken zur Herstellung von natriumhaltigen Aktivmaterialien erfolgen. The pre-sodium plating of the anode active material can be carried out in particular by the techniques known in the prior art for the production of sodium-containing active materials.

Beispielsweise kann ein Gemisch aus dem Anodenaktivmaterial mit metallischem Natrium hergestellt werden. Das Gemisch aus Anodenaktivmaterial kann für einen Zeitraum von bis zu zwei Wochen gelagert werden, bevorzugt von bis zu einer Woche, besonders bevorzugt von bis zu fünf Tagen. In diesem Zeitraum kann sich das Natrium in das Anodenaktivmaterial einlagern, sodass ein vorsodiiertes Anodenaktivmaterial erhalten wird. For example, a mixture of the anode active material with metallic sodium can be produced. The mixture of anode active material can be stored for a period of up to two weeks, preferably up to one week, particularly preferably up to five days. During this period, the sodium can be incorporated into the anode active material so that a pre-sodium-treated anode active material is obtained.

In einer Variante kann das Vorsodiieren des Anodenaktivmaterials durch Vermengen des Anodenaktivmaterials mit einem Natrium-Präkursor und anschließender Umsetzung des Natrium-Präkursors zu metallischen Natrium erfolgen. In einer weiteren Variante kann das Vorsodiieren des Anodenaktivmaterials durch Einpressen von Natrium in das Anodenaktivmaterial und/oder die Anode erfolgen. In one variant, the pre-sodium plating of the anode active material can be carried out by mixing the anode active material with a sodium precursor and subsequently converting the sodium precursor to metallic sodium. In a further variant, the pre-sodium plating of the anode active material can be carried out by injecting sodium into the anode active material and/or the anode.

In einer weiteren Variante kann das Vorsodiieren des Anodenaktivmaterials durch Aufdampfen von Natrium auf das Anodenaktivmaterial und/oder die Anode erfolgen. In a further variant, the pre-sodium plating of the anode active material can be carried out by vapor deposition of sodium onto the anode active material and/or the anode.

Durch Lagern der Anode in einem Elektrolyten über einen vorbestimmten Zeitraum von beispielsweise 2 Minuten bis 14 Tagen kann eine stabile SEI auf der Anode aufgebaut werden. By storing the anode in an electrolyte for a predetermined period of time, for example 2 minutes to 14 days, a stable SEI can be built up on the anode.

Schließlich ist es möglich, das Vorsodiieren des Anodenaktivmaterials durch elektrochemische Behandlung des zu einer Anode verbauten Anodenaktivmaterials in einem natriumhaltigen Elektrolyten durchzuführen. Auf diese Weise kann die SEI auf der Anode schon während des Vorsodiierens gebildet werden. Durch Lagern der Anode in dem Elektrolyten kann die SEI weiter vervollständigt und kinetisch stabilisiert werden. Finally, it is possible to pre-sodinate the anode active material by electrochemically treating the anode active material built into an anode in a sodium-containing electrolyte. In this way, the SEI can be formed on the anode during pre-sodiation. By storing the anode in the electrolyte, the SEI can be further completed and kinetically stabilized.

Um eine unmittelbar einsatzfähige Natriumionenbatterie herzustellen, kann die Natriumionenbatterie unmittelbar nach dem Schritt des Konfektionierens, vor einem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie, einen State-of-Charge (SoC) im Bereich von > 1 % aufweisen. In order to produce a sodium-ion battery that is ready for immediate use, the sodium-ion battery can have a state-of-charge (SoC) in the range of > 1% immediately after the assembly step, before a first discharge and/or charging process of the sodium-ion battery.

Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch die Verwendung einer Natriumionenbatterie wie zuvor beschrieben in einem Fahrzeug, einem stationären Energiespeicher oder einem tragbaren Gerät. Das tragbare Gerät kann insbesondere ein Smartphone, ein Elektrowerkzeug bzw. Powertool, ein Tablet oder ein Wearable sein. Bevorzugt wird die Natriumionenbatterie in einem Fahrzeug eingesetzt, beispielsweise einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug. The object of the invention is further achieved by the use of a sodium ion battery as described above in a vehicle, a stationary energy storage device or a portable device. The portable device can in particular be a smartphone, a power tool, a tablet or a wearable. The sodium ion battery is preferably used in a vehicle, for example a hybrid or electric vehicle.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Beispielen, die nicht in einem einschränkenden Sinne verstanden werden sollen. Further advantages and characteristics of the invention will become apparent from the following description and examples, which are not to be understood in a limiting sense.

In Tabelle 1 werden die in den Beispielen verwendeten Substanzen und Materialien aufgeführt. Tabelle 1 : Verwendete Substanzen und Materialien.

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Beispiel 1 (Referenzbeispiel) Table 1 lists the substances and materials used in the examples. Table 1: Substances and materials used.
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Example 1 (reference example)

Ein Gemenge aus 94 Gew.-% Natriumeisenphosphat (NaFePO4, NFP), 3 Gew.-% PVdF, und 3 Gew.-% Leitruß wird in NMP bei 20 °C mit einem Dissolver- Mischer mit hoher Scherung suspendiert. Man erhält eine homogene Kathoden- Beschichtungsmasse, die auf eine auf 15 pm Dicke gewalzte Aluminium- Trägerfolie ausgerakelt wird. Nach Abziehen des NMP erhält man einen zusammengesetzten Kathodenfilm mit einem Flächengewicht von 19,5 mg/cm2. A mixture of 94 wt.% sodium iron phosphate (NaFePO4, NFP), 3 wt.% PVdF, and 3 wt.% conductive carbon black is suspended in NMP at 20 °C using a high-shear dissolver mixer. A homogeneous cathode coating mass is obtained, which is doctored onto an aluminum carrier foil rolled to a thickness of 15 pm. After stripping off the NMP, a composite cathode film with a surface weight of 19.5 mg/cm 2 is obtained.

Analog wird eine Anoden-Beschichtungsmasse mit einer Zusammensetzung von 94 Gew.-% Hardcarbon, 2 Gew.-% SBR, 2 Gew.-% CMC und 2 Gew.-% Super C65 hergestellt und auf einer 15 pm dicken gewalzten Aluminium- Trägerfolie aufgebracht. Der so hergestellte Anodenfilm hat ein Flächengewicht von 5,7 mg/cm2. Analogously, an anode coating mass with a composition of 94 wt.% hard carbon, 2 wt.% SBR, 2 wt.% CMC and 2 wt.% Super C65 is produced and applied to a 15 pm thick rolled aluminum carrier foil. The anode film produced in this way has a basis weight of 5.7 mg/cm 2 .

Die Kathode mit dem Kathodenfilm wird unter Verwendung einer Anode mit dem Anodenfilm, eines Separators (Dicke: 25 pm) aus Polypropylen (PP) und eines Flüssig-Elektrolyten einer 1 M Lösung NaPFe in EC/DMC (3:7 w/w) zu einer elektrochemischen Zelle mit 25 cm2 aktiver Elektrodenfläche verbaut, die in hochveredelte Aluminiumverbundfolie (Dicke: 0,12 mm) verpackt und versiegelt wird. Es resultiert eine Pouch-Zelle mit äußeren Abmessungen von etwa 0,5 mm x 6,4 mm x 4,3 mm. The cathode with the cathode film is assembled using an anode with the anode film, a separator (thickness: 25 pm) made of polypropylene (PP) and a liquid electrolyte of a 1 M solution of NaPFe in EC/DMC (3:7 w/w) to form an electrochemical cell with 25 cm 2 active electrode area, which is packaged and sealed in high-quality aluminum composite foil (thickness: 0.12 mm). The result is a pouch cell with external dimensions of approximately 0.5 mm x 6.4 mm x 4.3 mm.

Die Zelle wird erstmalig bis 3,5 V geladen (C/10) und anschließend mit C/10 bis 2,0 V entladen. The cell is first charged to 3.5 V (C/10) and then discharged with C/10 to 2.0 V.

Die Kapazität der ersten Ladung beträgt 52,5 mAh und die Kapazität der ersten Entladung beträgt 38,5 mAh. Daraus resultiert eine Formationseffizienz von etwa 73,3 % für die komplette Zelle, das heißt in einem Formationsverlust von etwa 26,7 %. The capacity of the first charge is 52.5 mAh and the capacity of the first discharge is 38.5 mAh. This results in a formation efficiency of about 73.3% for the complete cell, which means a formation loss of about 26.7%.

Beispiel 2 (Erfindungsgemäße Natriumionenbatterie) Example 2 (Sodium ion battery according to the invention)

Ein Gemenge aus 65,8 Gew.-% Natriumeisenphosphat (NaFePO4), 28,2 Gew.- % FePO4, 3 Gew.-% PVdF, und 3 Gew.-% Leitruß wird in NMP bei 20 °C mit einer Mischvorrichtung mit hoher Scherung suspendiert. Man erhält eine homogene Kathoden-Beschichtungsmasse, die auf einer auf 15 pm Dicke gewalzten Aluminium-Kollektor-Trägerfolie ausgerakelt wird. Nach Abziehen des NMP erhält man einen Kathodenfilm mit einem Flächengewicht von 19,5 mg/cm2. A mixture of 65.8 wt.% sodium iron phosphate (NaFePO4), 28.2 wt.% FePO4, 3 wt.% PVdF, and 3 wt.% conductive carbon black is suspended in NMP at 20 °C using a high shear mixer. A homogeneous cathode coating mass is obtained which is applied to a rolled sheet with a thickness of 15 pm. The aluminum collector carrier foil is doctored out. After removing the NMP, a cathode film with a surface weight of 19.5 mg/cm 2 is obtained.

Analog wird eine Anoden-Beschichtungsmasse mit einer Zusammensetzung von 94 Gew.-% Hardcarbon, 2 Gew.-% SBR, 2 Gew.-% CMC und 2 Gew.-% Super C65 hergestellt und auf einer 15 pm gewalzten Aluminium- Kollektor-Träger-Folie aufgebracht. Der so hergestellte Anodenfilm hat ein Flächengewicht von 7,5 mg/cm2. Analogously, an anode coating mass with a composition of 94 wt.% hard carbon, 2 wt.% SBR, 2 wt.% CMC and 2 wt.% Super C65 is produced and applied to a 15 pm rolled aluminum collector carrier foil. The anode film produced in this way has a basis weight of 7.5 mg/cm 2 .

Dieser Anodenfilm wird vor Zellassemblierung mit 30,8 mAh Natrium vorsodiiert. Etwa 15,7 mAh Natrium davon bauen eine SEI-Schutzschicht auf, und etwa 15,1 mAh Natrium bleiben als zyklisierbares Natrium im Hardcarbon. This anode film is pre-sodium-treated with 30.8 mAh of sodium before cell assembly. Approximately 15.7 mAh of sodium builds up a SEI protective layer and approximately 15.1 mAh of sodium remains as cyclable sodium in the hard carbon.

30,8 mAh Natrium entsprechen etwa 1 ,15 mmol bzw. etwa 26,5 mg Natrium.30.8 mAh of sodium corresponds to approximately 1.15 mmol or approximately 26.5 mg of sodium.

Die Kathode mit dem Kathodenfilm wird unter Verwendung einer Anode mit dem Anodenfilm, eines Separators (25 pm) und eines Elektrolyten einer 1 M Lösung von NaPFe in EC/DMC (3:7 w/w) zu einer elektrochemischen Zelle mit 25 cm2 Elektrodenfläche verbaut, die in Aluminiumverbundfolie (Dicke: 0,12 mm) verpackt und versiegelt wird. Es resultiert eine Pouch-Zelle mit äußeren Abmessungen von etwa 0,5 mm x 6,4 mm x 4,3 mm. The cathode with the cathode film is assembled using an anode with the anode film, a separator (25 pm) and an electrolyte of a 1 M solution of NaPFe in EC/DMC (3:7 w/w) to form an electrochemical cell with 25 cm 2 electrode area, which is packaged and sealed in aluminum composite foil (thickness: 0.12 mm). This results in a pouch cell with external dimensions of approximately 0.5 mm x 6.4 mm x 4.3 mm.

Nach Dosierung des Elektrolyten und finaler Versiegelung der erfindungsgemäßen Zelle hat diese eine offene Spannung von ca. 2,3 bis 2,9 V, die aus der Potentialdifferenz der teils desodiierten Kathode und der vorsodiierten Anode resultiert. Die Nennkapazität der Natriumionen-Batterie beträgt 50,4 mAh, sodass die Natriumionen-Batterie direkt nach der Herstellung einen State-of- charge (SoC) von 30% hat. After dosing the electrolyte and final sealing of the cell according to the invention, it has an open voltage of approx. 2.3 to 2.9 V, which results from the potential difference between the partially deodidized cathode and the pre-sodium-ionized anode. The nominal capacity of the sodium ion battery is 50.4 mAh, so that the sodium ion battery has a state of charge (SoC) of 30% immediately after production.

Die Zelle wird erstmalig bis 3,5 V geladen (C/10) und anschließend mit C/10 bis 2,0 V entladen. Da die Zelle nach Assemblierung und Aktivierung mit Flüssigelektrolyt bereits einen SoC von 30% besitzt, wird bei der weiteren Formierung mit C/10 eine Ladung von 35,3 mAh beobachtet, während die erste C/10 Entladung bei 50,4 mAh liegt. The cell is initially charged to 3.5 V (C/10) and then discharged with C/10 to 2.0 V. Since the cell already has a SoC of 30% after assembly and activation with liquid electrolyte, a charge of 35.3 mAh is observed during further formation with C/10, while the first C/10 discharge is at 50.4 mAh.

Die erfindungsgemäße Natriumionen-Batterie weist entsprechend eine um 31 % höhere Nominalkapazität bei identischer Gesamtkathodenbeladung und eine um 32% erhöhte Anodenbeladung im Vergleich zum Referenzbeispiel auf. In einer weiteren Ausgestaltung könnte auch alternativ die Anodenbeladung gegenüber dem Referenzbeispiel konstant gehalten werden und die Kathodenbeladung reduziert werden, wodurch eine ähnliche Nominalkapazität resultiert, jedoch bei deutlich reduziertem Kathodenmaterialeinsatz. Da zur Herstellung der Natriumionenbatterie eine Anode mit vorsodiiertem Anodenaktivmaterial und teils desodiiertem Komposit-Kathodenaktivmaterial verwendet wird, kann die erfindungsgemäße Natriumionenbatterie unmittelbar nach dem Schritt des Herstellens verwendet werden. The sodium ion battery according to the invention accordingly has a 31% higher nominal capacity with an identical total cathode load and a 32% higher anode load compared to the reference example. In a further embodiment, the anode loading could alternatively be kept constant compared to the reference example and the cathode loading reduced, resulting in a similar nominal capacity, but with significantly reduced use of cathode material. Since an anode with pre-sodium-dioxide anode active material and partially de-sodium-dioxide composite cathode active material is used to produce the sodium ion battery, the sodium ion battery according to the invention can be used immediately after the production step.

Claims

Patentansprüche patent claims 1. Natriumionenbatterie mit einer Kathode, die ein Komposit- Kathodenaktivmaterial umfasst, und einer Anode, die ein Anodenaktivmaterial umfasst, wobei das Komposit-Kathodenaktivmaterial mindestens ein erstes Kathodenaktivmaterial und ein zweites Kathodenaktivmaterial umfasst, wobei das erste Kathodenaktivmaterial und/oder das zweite Kathodenaktivmaterial ein polyanionisches Kathodenaktivmaterial ist, wobei vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie das erste Kathodenaktivmaterial vollständig sodiiert und das zweite Kathodenaktivmaterial vollständig desodiiert ist, und wobei vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie das Anodenaktivmaterial vorsodiiert ist. 1. Sodium ion battery with a cathode comprising a composite cathode active material and an anode comprising an anode active material, wherein the composite cathode active material comprises at least a first cathode active material and a second cathode active material, wherein the first cathode active material and/or the second cathode active material is a polyanionic cathode active material, wherein the first cathode active material is completely sodiated and the second cathode active material is completely deodiated before the first discharge and/or charge process of the sodium ion battery, and wherein the anode active material is pre-sodiated before the first discharge and/or charge process of the sodium ion battery. 2. Natriumionenbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das polyanionische Kathodenaktivmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe der Phosphate, Sulfate, Silikate und Kombinationen davon. 2. Sodium ion battery according to one of the preceding claims, wherein the polyanionic cathode active material is selected from the group of phosphates, sulfates, silicates and combinations thereof. 3. Natriumionenbatterie nach Anspruch 2, wobei das polyanionische Kathodenmaterial ausgewählt ist aus Verbindungen mit NASICON-Struktur, Tavoritstruktur, Olivinstruktur, Alluauditstruktur, Schichtverbindungen und Kombinationen davon. 3. A sodium ion battery according to claim 2, wherein the polyanionic cathode material is selected from compounds having NASICON structure, tavorite structure, olivine structure, alluaudite structure, layered compounds and combinations thereof. 4. Natriumionenbatterie nach Anspruch 2 oder 3, wobei das polyanionische Kathodenmaterial ein Übergangsmetall enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Mangan, Vanadium und Kombinationen davon. 4. A sodium ion battery according to claim 2 or 3, wherein the polyanionic cathode material contains a transition metal selected from the group consisting of iron, manganese, vanadium, and combinations thereof. 5. Natriumionenbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Kathodenaktivmaterial in einem Anteil von 1 bis 50 Gew.-% vorliegt, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Kathodenaktivmaterials und des zweiten Kathodenaktivmaterials, bevorzugt in einem Anteil von 5 bis 30 Gew.-%. 5. Sodium ion battery according to one of the preceding claims, wherein the second cathode active material is present in a proportion of 1 to 50 wt.%, based on the total weight of the first cathode active material and the second cathode active material, preferably in a proportion of 5 to 30 wt.%. 6. Natriumionenbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anodenaktivmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Hardcarbon, Softcarbon, synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Zinn, Zinnoxid, Phosphor, Antimon, Antimonoxid, Preußisch-Blau-Analoga und Mischungen davon. 6. Sodium ion battery according to one of the preceding claims, wherein the anode active material is selected from the group consisting of hard carbon, soft carbon, synthetic graphite, natural graphite, graphene, Mesocarbon, doped carbon, tin, tin oxide, phosphorus, antimony, antimony oxide, Prussian blue analogues and mixtures thereof. 7. Natriumionenbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anodenaktivmaterial vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionen-Batterie soweit vorsodiiert ist, dass die Natriumionenbatterie vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang einen State-of-Charge (SoC) im Bereich von 1 bis 100 % hat, bevorzugt von 5 bis 60 %, besonders bevorzugt von 10 bis 50 %. 7. Sodium ion battery according to one of the preceding claims, wherein the anode active material is pre-sodium-treated before the first discharge and/or charge process of the sodium ion battery to such an extent that the sodium ion battery has a state of charge (SoC) in the range from 1 to 100%, preferably from 5 to 60%, particularly preferably from 10 to 50%, before the first discharge and/or charge process. 8. Verfahren zum Herstellen einer Natriumionenbatterie, umfassend folgende Schritte: 8. A method for producing a sodium ion battery, comprising the following steps: - Bereitstellen eines Komposit-Kathodenaktivmaterials durch Vermischen eines ersten Kathodenaktivmaterials und eines zweiten Kathodenaktivmaterials, wobei das erste Kathodenaktivmaterial und/oder das zweite Kathodenaktivmaterial ein polyanionisches Kathodenaktivmaterial ist, und wobei das erste Kathodenaktivmaterial vollständig sodiiert und das zweite Kathodenaktivmaterial vollständig desodiiert ist; - Providing a composite cathode active material by mixing a first cathode active material and a second cathode active material, wherein the first cathode active material and/or the second cathode active material is a polyanionic cathode active material, and wherein the first cathode active material is fully sodiated and the second cathode active material is fully deodiated; - Bereitstellen eines Anodenaktivmaterials; - Providing an anode active material; - Verbauen des Komposit-Kathodenaktivmaterials in einer Kathode und des Anodenaktivmaterials in einer Anode; und - incorporating the composite cathode active material in a cathode and the anode active material in an anode; and - Konfektionieren der Kathode und der Anode zu einer Natriumionenbatterie; wobei das Anodenaktivmaterial vor oder nach dem Verbauen des Anodenaktivmaterials in der Anode vorsodiiert wird. - Assembling the cathode and the anode to form a sodium ion battery; wherein the anode active material is pre-sodium-treated before or after the anode active material is installed in the anode. 9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Natriumionenbatterie unmittelbar nach dem Schritt des Konfektionierens, vor einem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Natriumionenbatterie, einen State-of-Charge (SoC) im Bereich von > 1 % aufweist. 9. The method according to claim 7, wherein the sodium ion battery has a state of charge (SoC) in the range of > 1% immediately after the assembly step, before a first discharge and/or charging process of the sodium ion battery. 10. Verwendung einer Natriumionenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Fahrzeug, einem stationären Energiespeicher oder einem tragbaren Gerät. 10. Use of a sodium ion battery according to one of claims 1 to 7 in a vehicle, a stationary energy storage device or a portable device.
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